سیستم اتصال زمین یا سیستم ارت در ساختمان‌ها یک سیستم مهم است که برای حفاظت از افراد و تجهیزات الکتریکی در برابر حوادث ناشی از جریان‌های ناخواسته و ناپیوسته استفاده می‌شود. این سیستم‌ها برای جلوگیری از شوک الکتریکی، حریق و صدمات دیگر به تجهیزات الکتریکی و افراد کاربرد دارند.
سیستم اتصال زمین معمولاً شامل یک شبکه از سیم‌ها یا مواد هادی است که به سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی در ساختمان متصل می‌شوند و سپس به یک نقطه زمین مرجع یا میله زمین متصل می‌شوند. این نقطه زمین معمولاً یک میله فلزی است که به طور عمیق در زمین فرو می‌رود تا به زمین الکتریکی ساختمان متصل شود.
وظیفه سیستم اتصال زمین این است که هرگونه جریان ناخواسته یا ناپیوسته را به زمین ارسال کند، جلوی خطرات الکتریکی و آتش‌سوزی را بگیرد و اطمینان حاصل کند که تجهیزات الکتریکی در صورت وقوع هرگونه مشکل الکتریکی به درستی عمل می‌کنند.
کاربرد سیستم ارت
سیستم ارت (ERT) کاربردهای متعددی دارد و در موارد مختلفی از جمله صنعت، ساختمان‌ها، اتومبیل‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. در زیر به برخی از کاربردهای اصلی سیستم ارت اشاره شده است:
ساختمان‌ها: سیستم ارت در ساختمان‌ها، سیستم ارت برای اتصال به تجهیزات الکتریکی مانند پریزها، سیستم‌های روشنایی، دستگاه‌های HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) و سیستم‌های امنیتی استفاده می‌شود.
صنعت: در محیط‌های صنعتی، سیستم ارت برای حفاظت از تجهیزات الکتریکی در برابر جریان‌های ناخواسته، سوپرژر، نوسانات و آتش‌سوزی استفاده می‌شود.
اتومبیل‌ها: در خودروها، سیستم ارت برای حفاظت از سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی در برابر ضربه‌های الکتریکی و سوپرژ را فراهم می‌کند.
دستگاه‌های الکترونیکی: در دستگاه‌های الکترونیکی مانند کامپیوترها، تلفن‌های همراه، تلویزیون‌ها و سایر دستگاه‌های مصرفی، سیستم ارت برای حفاظت از تجهیزات در برابر افزایش ولتاژ و سوپرژ استفاده می‌شود.
به طور کلی، سیستم ارت در هر مکانی که تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اهمیت دارد تا از خطرات الکتریکی و صدمات ناشی از آنها جلوگیری شود و امنیت کاربران و تجهیزات تضمین شود.
اجزای سیستم ارت
سیستم ارت شامل اجزای مختلفی است که هر کدام نقش مهمی در ایجاد یک اتصال ایمن به زمین و حفاظت از تجهیزات الکتریکی دارند. در زیر به برخی از اجزای اصلی یک سیستم ارت اشاره شده است:
میله زمین (Grounding Rod): یک میله فلزی است که به طور عمیق در زمین فرو می‌رود و به عنوان نقطه اتصال زمین برای سیستم استفاده می‌شود.
سیم زمین (Grounding Wire): سیم‌های فلزی که از تجهیزات الکتریکی متصل به میله زمین می‌شوند تا جریان‌های ناخواسته را به زمین منتقل کنند.
شینه ارت (Grounding Busbar): شینه ارت، یک اجزای مهم در سیستم ارتینگ است که برای اتصال و ارتباط بین سیم‌های ارت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این شینه‌ها عموماً از مواد فلزی مانند مس یا آلومینیوم ساخته می‌شوند و به دلیل خواص الکتریکی و مقاومت بالا در برابر خوردگی برای این کار مناسب هستند.
بنتونیت (bentonite): بنتونیت یک نوع خاص از خاک رس است که از نظر شیمیایی متشکل از موادی مانند سیلیس، آلومینیم، اکسیژن، آهن، مونتموریلونیت و غیره است. این خاک به دلیل ویژگی‌های خاصش مورد استفاده در بسیاری از صنایع مختلف قرار می‌گیرد.بنتونیت دارای خاصیت جذب بالا به خصوص در مقابل آب است و می‌تواند آب را به خوبی جذب کند. و همین امر باعث می شود صفحه ارت همیشه نم دار باشد و رسانایی سیستم ارت را حفظ کند و عملکرد آن را افزایش دهد .
کلمپ ها و پیچ‌های زمین (Grounding Clamps and Screws): یکی از کاربردهای اصلی کلمپ‌ها در سیستم ارتینگ، اتصال سیم‌های زمین به میله‌های زمین است. این کلمپ‌ها برای اتصال محکم و موثر سیم زمین به میله زمین استفاده می‌شوند تا جریان‌های الکتریکی به درستی به زمین تخلیه شوند.
صفحه ارت(Grounding Plate):
صفحه ارت یک صفحه فلزی یا فولادی است که به عنوان نقطه اتصال زمین برای سیستم ارت استفاده می‌شود. این صفحات عموماً به عنوان جایگزینی برای میله زمین استفاده می‌شوند، به ویژه در مناطقی که فرآیند نصب میله زمین مشکل است یا امکانات زمین‌بندی مناسب نیست.
اجرای سیستم ارت ساختمان
برای اجرای صحیح سیستم ارت در ساختمان‌ها، مراحل مشخصی باید طی شود که شامل حفر چاه، نصب تجهیزات، و پر کردن چاه با مواد مناسب است. ابتدا، یک چاه تقریباً نیمه‌عمیق به عمق حدود ۶ متر حفر می‌شود. البته، عمق چاه به نوع خاک بستگی دارد و ممکن است در شرایط مختلف متفاوت باشد. هدف این است که چاه به عمقی برسد که رطوبت خاک در کمترین عمق ممکن باشد. بهترین مکان برای حفر چاه جایی است که امکان آبیاری وجود داشته باشد؛ به عنوان مثال، داخل باغچه‌ها در ساختمان‌ها گزینه مناسبی هستند زیرا حفر چاه در این مکان‌ها هیچ آسیبی به ساختمان وارد نمی‌کند.
قرار دادن صفحه مسی در داخل چاه
پس از حفر چاه، یک صفحه مسی از پیش آماده شده در داخل چاه قرار داده می‌شود که حدود ۲۰ سانتی‌متر بالاتر از کف چاه قرار می‌گیرد. سپس، یک سیم مسی به این صفحه جوش داده می‌شود و سر دیگر سیم از چاه بیرون گذاشته می‌شود.
پر کردن چاه با مواد بنتونیت
پس از جوش دادن سیم مسی به صفحه مسی، چاه با موادی مانند بنتونیت پر می‌شود. بنتونیت که مخلوطی از گوگرد و نمک است، به علت چسبندگی خوب و قدرت کاهش مقاومت زمین انتخاب مناسبی است. پس از ریختن بنتونیت در چاه، اجازه می‌دهیم تا مواد سفت شوند. سپس، لوله پولیکای مورد نظر روی صفحه قرار می‌گیرد و چاه با خاک نرم پر می‌شود. سطح لوله باید کاملاً با سطح زمین یکی باشد و پس از پرکردن چاه با خاک نرم، داخل لوله با سنگ ریزه پر می‌شود تا امکان نفوذ آب به داخل چاه وجود داشته باشد.
متصل کردن سیم مسی به شینه ارت
نکته مهم در اجرای سیستم چاه ارت این است که برای اتصال سیم مسی به صفحه مسی حتماً از جوش استفاده شود و نباید به اتصال توسط پیچ یا رول‌پلاک اکتفا کرد. پس از جوش دادن، انتهای سیم مسی را به شینه زمین توسط کابلشو محکم می‌کنیم. وجود شینه در مجاورت چاه از ضروریات است تا بتوان اتصالات را به درستی برقرار کرد.
تست چاه ارت
پس از اتمام مراحل اجرای چاه ارت، نوبت به تست چاه می‌رسد تا از کارکرد صحیح آن اطمینان حاصل شود. این کار با استفاده از دستگاه تستر مخصوص انجام می‌شود. با انجام این تست، می‌توان از صحت عملکرد سیستم ارت اطمینان یافت و هرگونه اشکال را در مراحل اولیه شناسایی و برطرف کرد.
اجرای دقیق و صحیح این مراحل، ایمنی ساختمان را تضمین کرده و از بروز خطرات ناشی از برق‌گرفتگی جلوگیری می‌کند. رعایت تمامی جزئیات و استفاده از مواد مناسب در هر مرحله اهمیت زیادی دارد و نقش موثری در کارایی نهایی سیستم ارت خواهد داشت.
مقررات ملی ساختمان چاه ارت
بند 13-4-3-1-ج مبحث سیزدهم
طبق بند 13-4-3-1-ج مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان، اجرای چاه ارت برای مشترکان یا کنتورهای سه‌فاز با ظرفیت بیش از 60 آمپر یا مجموعه‌ای از کنتورها با مجموع جریان بیش از 60 آمپر در هر فاز ضروری است. این الزامات برای افزایش ایمنی و حفاظت از تجهیزات الکتریکی و کاربران در مقابل نوسانات برق و برق‌گرفتگی وضع شده‌اند.
بند پ- 1-4-7-1 مبحث سیزدهم
مطابق بند پ- 1-4-7-1 مبحث 13، استفاده از آرماتورهای فونداسیون برای همبندی اصلی ساختمان به سیستم زمین الکتریکی ضروری است. همبندی فونداسیون علاوه بر ایجاد هم‌پتانسیل‌سازی، نقش مهمی در کاهش مقاومت زمین دارد که به بهبود کارایی سیستم ارت کمک می‌کند.
استفاده نادرست از چاه زمین
براساس مقررات ملی 13 پ 1-9-5، استفاده از چاه زمین برای فاضلاب ممنوع است. مواد اسیدی، روغنی و کف‌های جوهرنمک می‌توانند مس را تخریب کنند و کارایی الکترولیت را کاهش دهند، که این امر می‌تواند کارایی سیستم ارت را تحت تاثیر قرار دهد.
تجهیز چاه ارت استاندارد
مطابق مبحث ۱۳، برای دریافت کنتور برق، نیاز به تجهیز چاه ارت استاندارد و زیر ۲ اهم است که باید مورد تایید ناظران ساختمانی قرار گیرد. این چاه ارت وظیفه حفاظت از تجهیزات الکتریکی و افراد را در مقابل نوسانات ناشی از برق و برق‌گرفتگی بر عهده دارد.
روش اجرای چاه ارت
الکترود قائم (میله‌ای)
یکی از روش‌های اجرای چاه ارت استفاده از الکترودهای میله‌ای است که به طور عمودی در چاه قرار می‌گیرند. این روش برای کاهش مقاومت زمین و افزایش کارایی سیستم ارت مناسب است.
الکترود صفحه‌ای
در این روش، یک صفحه مسی یا گالوانیزه در کف چاه قرار داده می‌شود و با خاک مناسب پر می‌شود. این روش معمولاً در مکان‌هایی که فضای کافی برای حفر چاه‌های عمودی وجود ندارد، استفاده می‌شود.
الکترود افقی (سطحی)
الکترودهای افقی به صورت سطحی در زمین قرار داده می‌شوند و با خاک مناسب پوشانده می‌شوند. این روش بیشتر در مناطقی که عمق کافی برای حفر چاه وجود ندارد، به کار می‌رود.
الکترود بتن مسلح در شالوده ساختمان
این روش شامل قرار دادن الکترودها در بتن مسلح شالوده ساختمان است که همراه با سایر روش‌ها به طور همزمان به کار می‌رود. این ترکیب باعث افزایش کارایی سیستم ارت و کاهش مقاومت زمین می‌شود.
مواد پرکننده چاه ارت
پس از حفاری چاه ارت و قرار دادن الکترود مورد نظر، اطراف الکترود با خاک مناسب پر می‌شود. این خاک می‌تواند شامل بنتونیت، خاک‌های کاهنده پایه کربن و بتن هادی باشد. انتخاب نوع خاک بر اساس موقعیت مکانی و بستر خاک انجام می‌شود تا عملکرد بهینه سیستم ارت تضمین شود.
تست چاه ارت
پس از تجهیز چاه ارت، ناظر اقدام به تست چاه ارت با استفاده از روش‌های موجود می‌نماید. اهم بدست آمده باید زیر ۲ اهم باشد تا عملکرد صحیح سیستم ارت تایید شود.
اجرای همبندی چاه ارت
پس از اجرای چاه ارت، نقشه همبندی که توسط طراحان تأسیسات الکتریکی ساختمان طراحی شده است، توسط مجریان متخصص اجرا می‌شود. مهندسین ناظر تأسیسات الکتریکی موظف به نظارت بر اجرای همبندی اصلی چاه ارت، میلگردها و اسکلت ستون‌ها هستند. همچنین همبندی اضافی در محیط‌های مرطوب مانند حمام و آشپزخانه نیز اجرا می‌شود.
چرا باید همبندی چاه ارت در ساختمان اجرا شود؟
- جلوگیری از برق‌گرفتگی ناشی از تماس غیرمستقیم: هم‌ولتاژ کردن نقاط در دسترس به کاهش خطر برق‌گرفتگی کمک می‌کند.
- کاهش خطر آتش‌سوزی ناشی از برق: سیستم ارت موثر می‌تواند از بروز آتش‌سوزی جلوگیری کند.
- حفاظت از تجهیزات الکترونیکی، مخابراتی و اتوماسیون: سیستم ارت کارآمد به محافظت از تجهیزات حساس کمک می‌کند.
- کاهش مقاومت زمین و افزایش عملکرد وسایل حفاظتی: همبندی صحیح باعث بهبود کارایی سیستم حفاظتی ساختمان می‌شود.
- ایجاد مسیرهای متعدد برای هدایت جریان صاعقه به زمین: این ویژگی از آسیب‌های ناشی از صاعقه به تجهیزات و افراد جلوگیری می‌کند.
- اطمینان از عملکرد صحیح وسایل حفاظتی: با اجرای صحیح همبندی چاه ارت، نگرانی‌ها در مورد عدم عملکرد صحیح وسایل حفاظتی برطرف می‌شود.
انواع سیستم ارت
انواع سیستم ارت به شرح زیر می‌باشد:
استانداردهای استفاده شده برای سیستم‌های ارتینگ
تعریف‌ها
در طول قرن گذشته، استانداردهای ایمنی الکتریکی به سیستم‌های پیشرفته‌ای تبدیل شده‌اند که همه جنبه‌های مهم نصب ایمن را شامل می‌شوند، از جمله سیستم‌های ارتینگ. در نصب‌های الکتریکی ولتاژ پایین (LV)، استاندارد مرجع IEC 60364 برای اجرای اقدامات لازم به منظور تضمین حفاظت از افراد و اموال استفاده می‌شود. استاندارد IEC 60364 سه نوع سیستم ارتینگ را تعریف کرده است: سیستم‌های TT، IT، و TN. از آنجایی که IEC استانداردهای بین‌المللی برای همه فناوری‌های الکتریکی، الکترونیکی و مرتبط را منتشر می‌کند و سازمان پیشرو در این حوزه است، استاندارد IEC 60364 به عنوان سند اصلی در تعیین استانداردهای نصب‌های الکتریکی ولتاژ پایین در سراسر جهان محسوب می‌شود. بنابراین، سه نوع سیستم ارتینگ تعریف شده در IEC 60364 در بسیاری از استانداردهای ملی نیز به رسمیت شناخته شده‌اند. استاندارد BS 7671: 2008 که به عنوان مقررات سیم‌کشی IEE شناخته می‌شود و در ژانویه 2008 منتشر شده، استاندارد بریتانیایی است که در انگلستان و دیگر کشورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور مشابه، استاندارد هندی IS 732:1989 (R2015) در هند برای نصب‌های الکتریکی استفاده می‌شود.
انواع سیستم‌های ارتینگ
همان‌طور که قبلاً اشاره شد، سه نوع عمده سیستم‌های ارتینگ استفاده شده توسط IEC 60364 عبارتند از:
در سیستم TN یک نقطه از ژنراتور یا ترانسفورماتور به زمین متصل می‌شود که در سیستم های سه فاز معمولا مرکز ستاره ترانسفورماتور یا ژنراتور می‌باشد و بدنه وسایل الکتریکی توسط اتصال به زمین ژنراتور، به زمین متصل می‌شوند.
حفاظت زمین (PE): هادی که بدنه فلزی تجهیزات مصرف کننده برقی را به زمین متصل می‌کند.
نول: هادی نول یا Neutral که به اختصار با حرف N نشان داده می‌شود درسیستم های سه فاز مرکز ستاره سیستم را به زمین متصل می‌کند و در سیستم های تک فاز جریان برگشتی را انتقال می‌دهد.
الف) سیستم TN-C
در این سیستم نول و ارت مشترک هستند به طوری که شینه نول به چاه ارت متصل می‌شود. سیم PEN هم به عنوان سیم خنثی یا همان نول مورد استفاده قرار می‌گیرد و هم بدنه را برای حفاظت به زمین متصل می‌کند.
ب) سیستم TN-S
در این سیستم نول و ارت از هم جدا هستند اما باید سیم خنثی (نول) به شینه چاه ارت متصل باشد.
پ) سیستم TN-C-S
در این سیستم در ابتدا نول و ارت یک سیم PEN مشترک هستند ولی بعد از طی کردن مسافتی تبدیل به دو سیم جداگانه PE و N می‌شوند.
سیستم‌های ارتینگ متداول
سیستم‌های TT و TN متداول‌ترین سیستم‌ها هستند. تعدادی از کشورها، مانند نروژ، از سیستم IT استفاده می‌کنند.
سیستم‌های ارتینگ عمومی (مصرف‌کنندگان LV)
سیستم ارتینگ TT
در این نوع سیستم ارتینگ، اتصال به منبع تغذیه به طور مستقیم به زمین متصل است و در انتهای بار یا فلزات نصب نیز به طور مستقیم به زمین متصل می‌شوند. بنابراین، در صورت استفاده از خطوط هوایی، جرم زمین به عنوان مسیر برگشت برای خط عمل می‌کند. رسانای نول و ارتینگ باید از طریق نصب جدا شوند زیرا توزیع‌کننده نیرو فقط نول یا رسانای حفاظتی برای اتصال به مصرف‌کننده فراهم می‌کند.در سیستم TT منبع تامین برق (ژنراتور) به زمین متصل شده است و بخش های رسانای تاسیسات مانند بدنه فلزی دستگاه ها از طریق یک یا چند الکترود محلی به زمین متصل شده‌اند. این الکترود های محلی هیچ تماس مستقیمی با سیستم ارتینگ منبع ندارند. این سیستم برای تاسیسات سه فاز و تک فاز قابل استفاده می‌باشد.
سیستم ارتینگ IT
در سیستم توزیع، هیچ ارتباطی با زمین وجود ندارد یا فقط یک اتصال امپدانس بالا وجود دارد. ویژگی اصلی سیستم ارتینگ IT این است که در صورت بروز خطا بین فازها و زمین، سیستم می‌تواند بدون وقفه به کار خود ادامه دهد. چنین خطایی به عنوان “اولین خطا” شناخته می‌شود. بنابراین، حفاظت ارتینگ معمولی برای این سیستم موثر نیست و این نوع سیستم برای تامین برق مصرف‌کننده مناسب نیست. سیستم ارتینگ IT برای سیستم‌های توزیع برق مانند پست‌های برق یا ژنراتورها استفاده می‌شود.این سیستم معمولا در شبکه های سه فاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک منبع سه فاز یا بدون تماس با زمین و یا از طریق تماس با زمین به کمک امپدانس بالا و مناسب، به طور کامل ایزوله می‌شود. بخش های رسانا به وسیله ی یک یا چند الکترود محلی به زمین متصل می‌شوند. این الکترود های محلی هیچ ارتباط مستقیمی با منبع ندارند.
جمع‌بندی
سیستم ارت یکی از اصول اساسی در نصب‌های الکتریکی است که برای حفظ ایمنی و عملکرد صحیح تجهیزات الکتریکی ضروری است. این سیستم به منظور اتصال تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی به زمین استفاده می‌شود تا در صورت بروز خطاهای الکتریکی، جریان‌های ناخواسته به زمین تخلیه شوند و از حداکثر ایمنی برخوردار باشند. از این رو، تعیین نوع و استفاده از سیستم ارت (مانند TT، IT، یا TN) بستگی به نوع نصب الکتریکی، محیط فیزیکی، و استانداردهای ملی دارد. برای مثال، سیستم TT که در آن نقطه اتصال به زمین به صورت مستقیم انجام می‌شود، در نصب‌های مسکونی و کاربردهای کم خطر استفاده می‌شود، در حالی که سیستم IT برای برنامه‌هایی که نیاز به ادامه عملکرد در صورت بروز خطا دارند، مناسب است.
در نهایت، انتخاب و استفاده از سیستم ارت مناسب باید با دقت و با توجه به شرایط محیطی و نوع نصب الکتریکی انجام شود تا حفظ ایمنی، کاهش خطرات آتش‌سوزی و آسیب به تجهیزات الکتریکی تضمین شود. در حین طراحی و اجرای سیستم ارت، اعمال استانداردهای ملی و بین‌المللی الزامی است تا تطابق و سازگاری لازم برای نصب‌های الکتریکی فراهم شود و ایمنی افراد و تجهیزات تضمین گردد.