ارتینگ مجموعه ژنراتوهای موقت چیست؟

درست یا غلط؟ همه ژنراتورها باید ارت شوند، مگر اینکه شناور باشند.

این جمله نادرست است به ویژه به این دلیل که اصطلاح شناور از نظر فنی تعریف نشده است، بنابراین یک عبارت بی معنی است. ارتینگ مجموعه‌های ژنراتور مدت‌هاست که سبب سردرگمی شده است، به‌ویژه در مورد واحدهای کوچک‌تر مانند واحدهایی که برای تأمین انرژی واحدهای سیار استفاده می‌شوند، مانند ون‌های پذیرایی یا دفاتر کار در سایت‌های ساختمانی.
مشکل فقط به نحوه استفاده از مجموعه ژنراتورها مربوط نمی‌شود، اما غیر معمول نیست که دستورالعمل‌های سازنده در مورد این موضوع نیز اشتباه گرفته شود. غیرعادی نیست که در دستورالعمل‌های اپراتور ژنراتور الزامی وجود داشته باشد که قاب ژنراتور باید به یک الکترود زمین متصل شود، در حالی که در عمل (با توجه به نحوه پیکربندی دینام)، انجام این کار مطلقاً هیچ مزیت یا حفاظت الکتریکی را ارائه نخواهد داد.
اغلب گفته می‌شود که یک ژنراتور برق باید به زمین ارجاع شود. این موضوع صحیح نیست و در ژنراتورهای معمولی ولتاژ پایین، جرم زمین هیچ نقشی در عملکرد الکتریکی دینام (یا اینورتر) ندارد، و یک مجموعه مولد همچنان 230 ولت خروجی خواهد داشت، گاه قاب یا سیم‌پیچ‌ها به زمین متصل باشند یا نه. اما ارت را می‌توان برای حفاظت از خطا با تأسیسات مبتنی بر ژنراتور ولتاژ پایین استفاده کرد، همان‌طور که الان نیز در حال استفاده است.

ارتینگ چیست؟

اتصال به زمین یا ارتینگ شامل اتصال مصنوعی برق به زمین می‌باشد که برای عبور جریان دارای مقاومت بسیار کمی است.

کاربرد سیستم ارتینگ

به طور کلی سیستم اتصال به زمین با دو علت در نظر گرفته می‌شود، یکی رفتار و کارکرد صحیح سیستم‌های الکتریکی و دیگری حفاظت از افراد در تماس با تجهیزات.
از کاربردهای سیستم اتصال به زمین می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:

1. حفاظت از تجهیزات و انسان‌ها
2. حفاظت مناسب از دیتاسنترها و تجهیزات مخابراتی (EMC)
3. عملکرد درست سیستم تغذیه الکتریکی
4. انتقال دادن جریان‌های لحظه‌ای که ناشی از حوادث جوی و تخلیه الکترواستاتیک هستند.

تاریخچه

بیشتر راهنمایی‌ها در زمینه ارتینگ ژنراتور از آیین نامه BS 7430 برای ارتینگ حفاظتی تأسیسات الکتریکی ناشی می‌شود. این سند در سال‌های اخیر بارها به روز شده است و توصیه‌های مفیدی در زمینه طراحی شبکه‌های الکترود زمین، ارتینگ تأسیسات فشار ضعیف و فشار قوی و غیره ارائه می‌دهد. با این حال، بخش‌هایی که ژنراتورها را پوشش می‌دادند، برای مدت طولانی مبتنی بر دو اصل بودن که شامل ژنراتورهای کمتر از 10 کیلو ولت آمپر که معمولاً به ارت نیاز نداشتند و آنهایی که بیش از 10 کیلو ولت آمپر بودند و به ارت نیاز داشتند. بیشتر راهنمایی‌های منتشر شده تا به امروز بر اساس این دو گزینه بوده است.
با در نظر گرفتن آن، دریافت شوک‌های الکتریکی از یک ژنراتور 2 کیلو ولت آمپر، همانند یک ژنراتور 12 کیلو ولت آمپر می‌تواند آسیب زا باشد. مشخص نیست که منطق مهندسی اولیه برای سطوح مختلف قدرت چه بوده است. این موضوع احتمالاً از توپولوژی‌های مجموعه اولیه و قدیمی است که پیکربندی‌های دینام بسیار ساده و یکنواخت بودند.

وضعیت امروز

خیلی چیزها با گذشت زمان تغییر کرده است. دینام‌ها و پیکربندی‌های سیم کشی آنها اکنون در پیکربندی‌های مختلفی ارائه می‌شوند، از جمله کلید تک فاز یا سه فاز، ستاره یا مثلث، خروجی‌های دوگانه 110 ولت و 230 ولت، تنظیم خود القایی و تنظیم خودکار و همچنین اکنون شاهد وجود ژنراتورهای اینورتر هستیم که به گونه‌ای طراحی شده‌اند که می‌توانند بدون مشکل بارهای مختلفی را تحمل کنند.
این به این دلیل است که منبع تغذیه با حالت سوئیچینگ (SMPS) که در همه چیز از رایانه‌های شخصی گرفته تا چراغ‌های LED یافت می‌شود، معمولاً دارای فاکتورهای قدرت (PF) نزدیک به واحد است. با این حال، PFهای منابع به جای القایی (پس فاز) ظرفیت خازنی (پیش فاز) هستند و این باعث ناپایداری در دینام‌ها می‌شود که معمولاً منجر به خاموش شدن یا نوسان ژنراتور می‌شود.
یک ژنراتور می‌تواند با بارهای کاملاً القایی کار کند (آنها فقط سوخت بیشتری می‌سوزانند، از این رو تصحیح ضریب توان (PFC) رایج است)، اما اگر PF به سمت دیگری نوسان کند و حتی خفیف شود، ژنراتورها به طور قابل توجهی با مشکل مواجه می‌شوند، زیرا جریان اصلی ایجاد شده که باعث شتاب گرفتن دینام می‌شود. این امر محبوبیت روبه‌رشد توپولوژی اینورتر را توضیح می‌دهد. این طرح با طیف گسترده‌ای از بارهای PF پیش فاز یا پس فاز عمل می‌کند.
توپولوژی می‌تواند گیج کننده باشد، زیرا زمین در مورد سطوح ولتاژ تغذیه در مرکز قرار دارد. این 115 ولت بین خط و زمین و 230 ولت بین خطوط را می‌دهد. اکثر ابزارهای تست چندمنظوره این را به عنوان یک نقص می‌بینند و از کار کردن خودداری می‌کنند. اگر زمین و دستگاه خنثی را به یکدیگر متصل کنید تا یک تنظیم معمول ایجاد کنید، دستگاه‌های خروجی به طور فاجعه آمیزی از کار می‌افتند.

اشکال توپولوژی ژنراتور اینورتر

در ادامه دقیق‌تر به بررسی آن می‌پردازیم:

شکل 1

برخی از دینام‌ها به روشی مشابه سیم‌کشی می‌شوند، با اتصال زمین محافظ به سیم‌ پیچ، تقریباً به همان روشی که سیستم ولتاژ کاهش‌یافته (RLV) طراحی شده است، اما با ولتاژ کاری دوبرابر. باز هم تلاش برای اتصال یک خط و زمین به یکدیگر منجر به یک سیم پیچ کوتاه و به طور بالقوه یک صورت‌حساب بزرگ می‌شود. آرایش در شکل 1 در واقع TN-S است (اگر الکترود زمین مستقر شده باشد) و می‌توان آن را به این صورت در نظر گرفت.
و پاسخ به سؤال ارتینگ این است؟
همه چیز به نحوه سیم کشی خروجی ژنراتور بستگی دارد. همچنین در این مرحله لازم است به خود یادآوری کنیم که جرم زمین چه نقشی در ایمنی الکتریکی در زمینه ولتاژ پایین دارد. مدار ساده‌ای مانند شکل 2 را در نظر بگیرید.

شکل 2

شکل 2 مدار ساده مسیر خطا را نشان می‌دهد.
هنگامی که خطا در تجهیزات رخ می‌دهد، جریان از سیم پیچ فاز در منبع، از طریق فیوز، بدنه تجهیزات جریان می‌یابد و قبل از بازگشت به ترانسفورماتور، هادی محافظ مدار (CPC) را به سمت خنثی برمی گرداند. هیچ جریانی در نزدیکی جرم زمین جریان ندارد و حتی اگر الکترودهای شکل 2 برداشته شوند، فیوز همچنان باید در صورت بروز خطا کار کند.
با این حال، اگر کابل تغذیه آسیب ببیند و یک هادی خط با زمین تماس پیدا کند، جریان از طریق جرم زمین، از طریق الکترودهای زمین عبور می‌کند و به سیم پیچ ترانسفورماتور باز می‌گردد. امیدواریم با این کار دستگاه محافظی که از خود کابل محافظت می‌کند، عمل کند.
بنابراین موضوع اصلی این است که جرم زمین برای تشخیص عیب معمولاً برای خرابی عایق کابل‌ها استفاده می‌شود. اما اگر از زمین برای این منظور استفاده نکنید چه می‌شود؟ با یک ژنراتور که از نظر الکتریکی به جرم زمین متصل نیست، خود زمین هیچ نقشی ندارد و بخشی از سیستم الکتریکی نیست. این امر به یک مشکل قدیمی برمی گردد که با ژنراتورهای نصب شده روی یک مکان سخت که در آن امکان وارد کردن الکترود به زمین وجود ندارد، چه باید کرد. هیچ کاری انجام نمی‌دهید؟ آیا این کار ایمن است؟ آیا باید سنگ‌فرش را حفر کنید و یک الکترود را در آن قرار دهید؟

شکل 3

شکل 3 توپولوژی ژنراتور ارت شده استاندارد را بیان می‌کند.

از بسیاری جهات، این شبیه به یک منبع برق معمولی است، با منبع تغذیه متصل به زمین و یک هادی خنثی و محافظ جداگانه، یعنی TN-S. در نتیجه استفاده از الکترود زمین در ژنراتور، یک اشتباه رایج در گواهینامه‌ها این است که این ترتیب را به عنوان TT توصیف می‌کنیم که این‌طور نیست. الکترود زمین در ژنراتور در شکل 3 نشان دهنده T اول در TN-S است و نه T دوم در TT.

شکل 4

شکل 4 همان توپولوژی را نشان می‌دهد، اما بدون الکترود زمین. این یکی از پیکربندی‌های ژنراتور است که در راهنمای IET Practitioner برای سیستم‌های قدرت موقت به آن اشاره شده است و در راهنما به عنوان یک سیستم شناور تعریف شده است. هادی محافظ همچنان برای محافظت از تجهیزات کار می‌کند، اما زمین هیچ نقشی در این امر ندارد. همان‌طور که اشاره شد، شناور یک اصطلاح تعریف نشده در هر استانداردی است و اغلب برای توصیف آرایش در شکل 4 و همچنین در شکل 5 استفاده می‌شود. راهنمای IET شکل 4 را به عنوان یک سیستم شناور تعریف می‌کند زیرا به عنوان یک TN-S عمل می‌کند. طراحی، اما هادی محافظ از زمین شناور است و از این رو بهتر است به عنوان IN-S به جای TN-S توصیف شود، زیرا الکترود زمین وجود ندارد. آرایش هادی محافظ در شکل 5 برای رفع عیب به همان روش استفاده نمی شود.
از نظر فنی، این توپولوژی انحراف از مقررات 411.4.1 BS 7671:2018+A1:2020 است که به اتصال قابل اعتماد و مؤثر هادی‌های PEN یا PE به زمین، نیاز دارد. با این حال، همان‌طور که قبلاً نشان داده شد، اتصال به زمین ممکن است مورد نیاز نباشد، مانند یک ژنراتور در یک واحد سیار یا یک ژنراتور که یک دفتر سایت را از طریق طول کوتاه کابل محافظت شده تغذیه می‌کند. این یک توپولوژی است که همچنین در تأسیساتی که جداسازی ساده را به کار می‌برند، مانند لوازم مورد نیاز واحدهای سیار که در شکل 717.6 از BS 7671:2018+A1:2020 نشان داده شده است، استفاده می‌شود. شکل 717.1 همچنین یک نصب مبتنی بر ژنراتور بر روی یک واحد متحرک را شرح می‌دهد، همان‌طور که در شکل 4 در بالا نشان داده شده است.
چنین ترتیبی در صورتی ایمن است که در داخل واحدی مانند مواردی که در قسمت 7 BS 7671:2018+A1:2020 توضیح داده شده باشد، وجود داشته باشد. همچنین می‌تواند برای سیستم‌های موقت در ساخت و ساز و موارد مشابه ایمن باشد، اما با شرط. یکی از اصلی‌ترین آنها استفاده از یک دستگاه جریان باقیمانده (RCD) در خروجی ژنراتور برای محافظت در برابر اتصال زمین تصادفی سیستم (به‌عنوان‌مثال، قاب ژنراتور که در گل مرطوب نشسته است) یا شکست عایق کابل است.

RCD نباید بیش از 100 میلی آمپر با تأخیر زمانی بیش از 0.2 ثانیه تنظیم شود. این یک درجه از انتخاب پذیری را با دستگاه‌های پایین دستی (یعنی دستگاه‌های 30 میلی آمپر در مدارهای نهایی) فراهم می‌کند.

نیاز دیگر این حالت شناور این است که مدت زمان کوتاهی داشته باشد. این یک اقدام کنترلی برای زمانی است که هیچ گزینه دیگری وجود ندارد. در صورت امکان، چنین سیستم‌هایی باید دارای یک الکترود زمین باشند. پس از آن حفاظت بسیار قابل‌اعتمادتر خواهد بود، به خصوص در تشخیص خطاهای کابل.

همچنین مهم است که هنگام در نظر گرفتن رتبه RCD به توزیع موقت متصل به ژنراتور فکر کنید. یک ژنراتور که ابزارهای برقی یا سایر مدارهای نهایی را مستقیماً تغذیه می‌کند باید یک RCD 30 میلی آمپری بر روی خروجی نصب شود.

اگر ژنراتور یک واحد توزیع را تغذیه کند که دارای RCDهای 30 میلی آمپری است که از مدارهای نهایی محافظت می‌کند (مانند مواردی که در یک واحد مصرف کننده در یک ساختمان قابل حمل نصب شده است)، در این صورت منبع تغذیه از ژنراتور یک مدار توزیع است، نه یک مدار نهایی، و می‌تواند هنگام در نظر گرفتن مقررات 411.3.3 از BS 7671:2018+A1:2020 چنین در نظر گرفته شود. (نگاه به تبصره 1 این قانون بیندازید.).
توپولوژی سوم که در شکل 5 نشان داده شده است با مجموعه‌های تولید کننده کوچک‌تر 1 یا 2 KVA مشترک است (اما محدود به آن نیست). خواننده با چشم تیزبین متوجه خواهد شد که این ترتیب اتصال به زمین همانند اقدام حفاظتی جداسازی الکتریکی است، بنابراین مقررات گروه 413 BS 7671:2018+A1:2020 اعمال می‌شود.

شکل 5

شکل 5 ژنراتور به عنوان جداسازی الکتریکی پیکربندی شده است.

یک ویژگی قابل توجه در مورد این آرایش این است که RCD در خروجی ژنراتور هیچ هدفی ندارد. این تنها آرایش ژنراتور است که چنین است. علاوه بر این، تجهیزاتی که به دلایل عملکردی نیاز به اتصال به زمین دارند (مثلاً برای فیلترهای داخلی یا اقدامات سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) که در بسیاری از منابع تغذیه مدرن رایج است) به طور مؤثر کار نخواهند کرد، زیرا هادی محافظ به منبع تغذیه متصل نیست. این امر می‌تواند منجر به ظاهر شدن ولتاژ روی بدنه تجهیزات شود.

همچنین مهم است که اطمینان حاصل شود که هادی محافظ به جرم زمین متصل نیست (مانند اتصال آن به فلزات متصل شده به زمین)، زیرا این امر آرایش را به یک سیستم فناوری اطلاعات تبدیل می‌کند (مقررات 411.6 از BS 7671:2018+A1: 2020) که برای مثال دارای الزامات متفاوتی برای حفاظت است، مانند دستگاه‌های نظارت بر عایق (IMD). در عمل، پیاده‌سازی سیستم‌های IT دشوار است، زیرا نیاز به الکترود زمین قابل اعتماد با مقاومت شناخته شده برای فعال کردن IMD وجود دارد که اغلب برای اکثر سیستم‌های موقتی که برای مدت کوتاهی مستقر می‌شوند، غیرعملی است.

یکی از جنبه‌های آرایش در شکل 5 این است که اولین خطا در تجهیزات کلاس I شناسایی نمی‌شود. خطا در یک مورد باعث می‌شود که هادی محافظ تا ولتاژ خط افزایش یابد. این به خودی خود مشکلی نیست، زیرا خطر شوک وجود ندارد، اما خطای دوم در یکی دیگر از تجهیزات یا کابل توزیع می‌تواند خطر شوک ایجاد کند. به همین دلیل، هر مورد از تجهیزات کلاس I باید توسط RCD خود محافظت شود که مطابق با مقررات 415.1 BS 7671:2018+A1:2020 باشد (مانند حالتی که می‌توان با استفاده از RCDهای سوکت پریز به دست آورد). در صورت استفاده از بیش از یک مورد از تجهیزات کلاس I، باید با گروه مقررات 418.3 BS 7671:2018+A1:2020 نیز مشورت شود.

در صورت بروز خطای دوم، یکی از RCDها کار می‌کند، در نتیجه به وضعیت عیب اول باز می‌گردد و در نتیجه خطر را کاهش می‌دهد. در تجهیزات کلاس II، یک خطا خطر شوک ایجاد نمی‌کند و بنابراین هر تعداد از تجهیزات کلاس II را می‌توان به ژنراتور متصل کرد.

بسیاری از توصیه‌های مرتبط دیگر در مورد این موضوع در راهنمای پزشک IET وجود دارد، از جمله توصیه‌هایی در مورد انتخاب کابل و RCD برای چنین سیستم‌هایی، مجموعه‌های ژنراتور موازی (سایر لوازم)، تنظیمات نمونه و موارد دیگر. همه اینها اطلاعات جدیدی هستند و اگر با هر شکلی از تولید موقت برق سروکار دارید، بهتر است که از آن آگاه باشید. راهنمای جدید از کتاب‌فروشی IET در دسترس است.

بخش 551 BS 7671:2018+A1:2020 نیز توصیه‌های برجسته‌ای در مورد این موضوع دارد، اگرچه لازم به ذکر است که در حال حاضر در سطح بین‌المللی در حال بررسی است. فصل 55 BS 7671:2018+A1:2020 در توصیف منابع جایگزین و ژنراتورهای موقت کاملاً مفصل است. اصول ارتینگ تا حد زیادی یکسان است، خواه منبع دینام دوار باشد یا یک اینورتر الکترونیکی، بنابراین اگر با چنین سیستم‌هایی کار می‌کنید، امیدواریم این مقاله مفید واقع شود.
در نهایت، توجه داشته باشید که اگر الکترود زمین را مستقر می‌کنید، باید مؤثر باشد. این بدان معناست که مقاومت آن باید به اندازه کافی کم باشد تا در صورت بروز خطا به جرم زمین، جریان کافی برای قطع کردن دستگاه محافظ روی خروجی ژنراتور ایجاد کند. این معمولاً به مقادیر بسیار پایین مقاومت الکترود زمین نیاز دارد که در عمل به سختی می‌توان به آن دست یافت. از این رو RCDها در خروجی توپولوژی‌های ژنراتور TN می‌توانند حفاظت بسیار مؤثرتری را ارائه دهند. الکترودهای موجود در تصاویر زیر هیچ هدف عملی برای ایمنی الکتریکی ندارند.

سوالات متداول

1. انواع سیستم اتصال به زمین کدام اند؟

   می‌توانیم موارد زیر را جزئی از انواع این سیستم در نظر بگیریم:

   1. سیستم اتصال به زمین آپارتمان
   2. سیستم اتصال به زمین ساختمان‌ها
   3. سیستم اتصال به زمین دکل مخابراتی
   4. سیستم اتصال به زمین نیروگاه خورشیدی
   5. سیستم اتصال به زمین برج نوری
   6. سیستم ارتینگ سوله
   7. سیستم ارتینگ دوربین مدار بسته
   8. سیستم اتصال به زمین مخازن نفت
   9. سیستم اتصال به زمین مخازن سوخت
   10. سیستم ارتینگ مترو
   11. سیستم اتصال به زمین تجهیزات هوانوردی
   12. سیستم ارتینگ تجهیزات هواشناسی
   13. و ...