مقاومت 2 اهم و سیستم‌های زمین فشار ضعیف

دسته‌بندی: ارتینگ

این پست صرفا به صحبت در رابطه با سیستم های زمین فشار ضعیف پرداخته و تلاش دارد تا برخی از سوتفاهم های احتمالی در روند تعیین مقاومت آن و نیز منطق حاکم بر این روند را مورد بحث و بررسی قرار دهد. ممکن است بحث قدری طولانی و خسته کننده شده اما توصیه می‌شود تا به هیچ وجه این مقاله را از دست ندهید. تصویر پست هم از هنرهای هوش مصنوعی کمپانی ماکروسافت است!!!

نویسنده: آرش صمدی، تاریخ اولیه انتشار: 5 دی‌ماه 1402

وقتی صحبت از سیستم زمین فشار ضعیف یک پست توزیع می‌شود، یکی از پرتکرارترین پاسخ‌ها برای مقدار مقاومت زمین معادل شبکه LV، عدد 2 اهم است. در دل این جمله مفهومی مورد توافق همگان در این عبارت وجود دارد که می‌گوید: «مقاومت معادل همه الکترودهایی که در یک شبکه توزیع LV اتصال به زمین را فراهم آورده‌اند، می‌بایست محدود به حدی مشخص باشند.». در استانداردهای داخلی و بین‌المللی برای این حد روابط و اصولی ذکر گشته که در ادامه این مقاله به آن پرداخته می‌شود. هرچند که وقتی به آخرین استانداردهای IEC، VDE، IEEE و ... که نگاه می‌کنیم، خبری از تعیین یک مقدار مقاومت مشخص نیست. یعنی برای نمونه استانداردهایی مثل IEC یا VDE صرفا به ارائه روابط حاکم بر نحوه تعیین این مقاومت اکتفا کرده و در آن‌ها خبری از تعیین مقدار مشخصی نظیر 2 اهم یاد شده نیست. 

با جستجو در بسیاری از دستورالعمل‌ها و مدارک داخلی می‌توان ردپای این عدد 2 اهم را تا استاندارد سیستم اتصال زمین شبکه‌های توزیع (دی ماه 1374) توانیر دنبال نمود. در این استاندارد آمده است: 

در سیستم‌های TN، حداکثر مقاومت اتصال زمین معادل کلیه الکترودهای موازی (با احتساب الکترودهای اختصاصی مشترکین)، نباید از 2 اهم تجاوز کند. با وجود این، در مناطق خشک، صخره‌ای و سنگلاخی که در آن اتصال به زمین اتفاقی (تماس اتفاقی هادی فاز با زمین یا هرگونه سازه‌ای که وصل به زمین است مانند افتادن فاز روی یک حصار فلزی) بر حسب تجربه و طبق داده‌های آماری از 7 اهم بیشتر باشد، حداکثر مجاز مقاومت اتصال زمین را می‌توان به جای 2 اهم از رابطه زیر بدست آورد: 

(R_S/R_E)≤U_L/(U₀-U_L)

R_S: حداکثر مجاز اتصال زمین (به جای 2 اهم)

R_E:حداقل مقاومت اتصال به زمین اتفاقی (به جای اهم)

U_L: حداکثر ولتاژ مجاز تماس برای افراد (50 ولت مقدار موثر)

U₀: ولتاژ اسمی بین فاز و ختثی (220/230 ولت)

تعیین مقدار حداکثر مجاز مقاومت اتصال زمین برای هر منطقه با مقام مجری مقررات است اگر مقام مجری مقررات مقداری را برای حداکثر مجاز مقاومت اتصال زمین یک منطقه تعیین نکرده باشد، این مقدار باید برابر 2 اهم انتخاب شود.

بند 353-2 ، صفحه 49

در این استاندارد هم ذکر عدد 2 اهم دیده شده و هم رابطه موجود در استانداردهای بین المللی ذکر گردیده است. حال آن که برای نمونه در IEC60364-4-41 مربوط به سال 2017 (مطابق شکل 1) اثری از ذکر یک مصداق برای مقاومت معادل وجود ندارد. هرچند که باید در نظر داشت که استاندارد توانیر در واقع برای حدود 28 سال قبل بوده اما استاندارد IEC ارائه شده در شکل 1 برای حدود 6 سال قبل است!

شکل 1 - بریده‌ای از بند 411.4.1 استاندارد IEC60364-4-41 2017 

برای یافتن آخرین باری که مقدار 2 اهم در استاندارد به صورت شفاف ذکر شده می‌بایست به نسخه‌های قدیمی‌تر استانداردها رجوع کرد. متاسفانه دسترسی به نسخه‌های قدیمی استاندارد IEC ذکر شده برای بنده وجود نداشت اما به جای آن آرشیو نسبتا کاملی از استانداردهای VDE DIN 0100-410 داشتم. نسخه‌هایی که بنده به آن‌ها دسترسی داشتم در جدول 1 ارائه گردیده است.

جدول 1 - بررسی استانداردهای قدیمی‌تر VDE تا یافتن اولین مرتبه‌ای که مقدار 2 اهم ذکر گردید!

سال انتشار	عنوان استاندارد	اشاره به فرمول تعیین حداکثر مقاومت	اشاره به مقدار 2 اهم مقاومت زمین
2007	VDE 0100-410 DIN VDE 0100-410 2007-06	بله	خیر
1997	VDE 0100-410 DIN VDE 0100-410 1997-01	بله	خیر
1983	VDE 0100-410 DIN VDE 0100-410 DIN 57100-410 1983-11	بله	بله

 

در شکل های 2 و 3 به ترتیب تصویر آن بند از استاندارد که به مقاومت معادل زمین در سیستم‌های TN اشاره می‌کند ارائه شده و دیده می‌شود که خبری از 2 اهم نیست!

شکل 2 - نسخه سال 2007

شکل 3 - نسخه سال 1997

اما در نسخه مربوط به سال 1983 نظیر تصویر زیر برای اولین بار با مقاومت 2 اهم روبرو می‌شویم. به دلیل اهمیت موضوع، اصل متن در شکل 4 و ترجمه آن در ادامه تصویر تقدیم حضور عزیزان گردیده است:

شکل 4 - نسخه مربوط به سال 1983 (که در سال 1997 منقضی گردیده است.)

ترجمه شکل 4:

در شبکه‌های TN و TT مقاومت معادل همه سیستم‌های زمین می‌بایست در کمترین مقدار ممکن باشد تا در صورت بروز خطای زمین با یک هادی بیگانه، افزایش ولتاژ هادی‌ها به خصوص هادی حفاظتی یا PEN در شبکه TN محدود گردد. برای این کار مقدار 2 اهم کافی در نظر گرفته می‌شود. اگر مقدار 2 اهم در خاک‌هایی با رسانایی کم قابل دستیابی نباشد، شرط مذکور در این رابطه می‌بایست برقرار باشد: (رابطه مذکور در شکل 4 موجود است.)

R_B مقاومت معادل کل الکترودهای زمین

R_E مقاومت‌هادی بیگانه‌ای که خطای زمین بر روی آن احتمال وقوع داشته و اتصال الکتریکی با هیچ یک از هادی‌های حفاظتی ندارد

U₀ ولتاژ نامی

U_L حد مورد توافق برای پتانسیل تماس دائمی مبتنی بر بخش 6.1.1.4 استاندارد (مترجم: در این بخش حدود بالای ولتاژ تماس برای جریان متناوب و مستقیم تعیین گردیده است.)

هرچند که در VDE 0100-410 سال 1983 بالاخره مقاومت 2 اهم را پیدا کردیم اما خبری از 7 اهم موجود در استاندارد سال 1374 توانیر نبوده و در متن اشاره مستقیمی بدان نگردیده است. هرچند که با جایگذاری ولتاژ نامی و 2 اهم به جای R_B، این مقاومت از طریق رابطه ارائه شده قابل محاسبه است. همانطور که دیده می‌شود از دید استانداردهای معتبر داخلی و بین‌المللی، تعیین کننده‌ی حد بالای مقاومت معادل سیستم‌های زمین در یک شبکه فشار ضعیف حالتی خاص از خطای تکفاز به زمین است. در این حالت خاص هادی فاز به یک هادی «بیگانه» متصل می‌شود. هادی بیگانه خود نسبت به زمین یک مقاومت داشته ولی هیچگونه اتصال الکتریکی به PEN شبکه ما ندارد. این امر سبب می‌شود تا در صورت بروز خطای تکفاز به این هادی بیگانه، همه جریان خطا از طریق خاک مسیر خود را بسته و چیزی شبیه به شکل 5 رخ دهد. دیده میشود که در این شکل جریان خطا از طریق هادی بیگانه به زمین وارد شده و از طریق الکترودهای زمین شبکه توزیع فشار ضعیف به منبع باز می‌گردد.

شکل 5 - مسیر جاری شدن جریان های خطا در صورت اتصال فاز به هادی بیگانه

در این حالت اگر رابطه R_B<0.28R_E برقرار باشد، در صورت بروز خطای فاز به R_E، بزرگی ولتاژ ظاهر شده بر روی PEN به مقادیر کوچکتر از 50 ولت محدود می‌گردد. هرچند لازم به ذکر است که تا مدت زمانی که خطای نامبرده پابرجاست و برطرف نشده، همه بدنه‌های هادی تجهیزات که با PEN در اتصالند، دارای این ولتاژ خواهند بود. این امر خود نشان می‌دهد که چرا حتما باید مقاومت سیستم زمین فشار ضعیف به مقداری محدود شود تا از بروز ولتاژهای پایدار خطرناک بر روی هادی PEN اجتناب شود.
هرچند در جای‌جای متن به این موضوع اشاره شده، اما به دلیل اهمیت بحث مجددا گفته می‌شود که :

حد 2 اهم برای مقاومت در عبارات بالا مربوط به مقاومت معادل سیستم‌های زمین متصل به هادی PEN است (نه یک تک الکترود!). حتی در استاندارد سال 74 نیز دیده می‌شود که به تصریح گفته شده که علاوه بر سیستم‌های زمین مربوط به شبکه، برای رعایت این شرط مقاومتی، مجاز به در نظر گرفتن سیستم‌های زمین مشترکین ("الکترودهای اختصاصی مشترکین") نیز هستیم. لذا این 2 اهم، شرطی بر روی یک سیستم زمین تک نبوده و مقصود مقاومت معادل است.

هرچند که حتی خود حد 2 اهم نیز با توجه به 2 بند : «با وجود این، در مناطق خشک ...» و «تعیین مقدار حداکثر مجاز مقاومت اتصال زمین برای هر منطقه با مقام مجری مقررات است...» از استاندارد سال 1374، بسته به شرایط خاک و صلاحدید مراجع ذیصلاح ممکن است تغییر نماید! یعنی برای نمونه در شرایطی که مقاومت مخصوص خاک یک منطقه (در تمام شرایط بهره برداری از سیستم زمین در طول زمان، برای نمونه در تمام شرایط جوی سال) بالا باشد و امکان وقوع مقاومت اتفاقی 7 اهم عملا وجود نداشته باشد، امکان انتخاب مقادیر دیگر (به صلاحدید مراجع ذیصلاح) وجود دارد!

برای نمونه یک خاک 1000 اهم متری را در نظر بگیرید. در صورتی که حتی یک شبکه زمین در ابعاد 10 در 10 متر (یک سیستم زمین نسبتا بزرگ!) در عمق 0.5 متری خاک اجرا گردد، با فرض آنکه اتصال الکترودها با خاک بی‌نقص بوده و عملا اتصال زمین به صورت عمدی "خوب" اجرا شده باشد، با استفاده از یک شبیه‌سازی ساده مقاومت سیستم زمین برابر با 41.7 اهم می‌گردد!!! لذا حتی در صورت ساخت یک سیستم زمین "عمدی" هم رسیدن به مقاومت‌های کوچک بسیار دشوار (نه غیر ممکن!) است چه رسد به اتصال زمین "تصادفی"! هرچند ممکن است در این جا یک مثال خاص از یک مجموعه پیچیده از هادی‌های مدفون در خاک (برای مثال یک سیستم لوله کشی یا امثالهم) زده شود که حتی در این خاک هم می‌تواند به مقاومت‌های کمتری برسد!!! اما در این جا باید یک "ارزیابی ریسک" (Risk Assessment) توسط مراجع ذی صلاح در هر منطقه انجام شود تا دیده شود از نظر آماری برای یک ناحیه مشخص احتمال رخ دادن مقاومت‌های تصادفی در چه بازه‌ای محتمل بوده و با در نظر گرفتن یک حد از ریسک، اقدام به ارائه مقادیر مربوطه برای مقاومت تصادفی شود!

شکل 6 - شبکه زمین در ابعاد 10 در 10 متر، مدفون در عمق 0.5 متری خاک، در یک خاک 1000 اهم متر (تک لایه)

هرچند که در تئوری‌ها و فرمول‌بندی‌ها، ممکن است این بحث ساده جلوه کند، اما در عمل تعیین حدود مقاومتی با چالش‌های متعددی همراه است که با تکمیل شدن مقاله به برخی از این چالش‌ها اشاره خواهد شد.

در حال تکمیل ...