تاریخچه ارتینگ

سلام دوستان. در این آموزش می خواهیم به بررسی تاریخچه ارتینگ بپردازیم، و می خواهیم ببینیم ارتینگ از گذشته تا الان چه مسیری را طی کرده تا به اینجایی که هست رسیده است. پس با من همراه باشید. در ابتدا، این درس را با یک فیلم آموزشی در رابطه با تاریخچه ارتینگ شروع می کنم.

فیلم مربوط به تاریخچه ارتینگ

این درس را با یک فیلم آموزشی شروع می کنم. البته چون فیلم ها در یوتیوب آپلود شده اند، نیاز است که با IP غیر ایرانی به اینترنت متصل شوید. در ضمن خوشحال می شویم عضو کانال یوتیوب ما شوید، ما هر هفته فیلم های جدیدی در کانال منتشر می کنیم. لینک ورود به کانال یوتیوب سایت آموزش برق

تاریخچه ارتینگ را با هم شروع می کنیم. ۱۵۰ سال قبل در اوایل سال های ۱۸۸۰ میلادی سیستم ارتینگ اصلاً وجود نداشت و بین انسان ها تعریف شده نبود. همانطور که در تصویر زیر می بینید ما فقط یک منبع داشتیم که برق تولید می کرد و در این قسمت هم مصرف کننده ها را داشتیم که هر چیزی می تواند باشد مثل یک لامپ یا یخچال و لباسشویی، در اینجا یک لامپ قرار گرفته است. بعد دو سیم داشتیم که کار تغذیه لامپ را به عهده داشتند و مثل تصویر زیر یک مدار بسته را ایجاد می کردند تا لامپ روشن شود. حتی این سیم ها اسم فاز و نول را هم نداشتند و بعداً به این اسم ها شناخته شدند. البته در این تصویر یک مدار تک فاز رسم شده است اما می تواند سه فاز هم باشد و در ویدئویی که انتهای این مقاله است، مدارات سه فاز آن را هم بررسی کرده ایم. این سیستم همانطور که فایده هایی داشت ایراداتی هم داشت. مثالاً خوبی این مدار این است که اگر ، شخصی بیاید و مستقیماً به سیم فاز دست بزند برق او را  نمی گیرد یا اینکه اگر به وسیله ی برقی که اتصالی کرده و برقدار شده دست بزند باز هم برق او را نمی گیرد، خیلی جالب است نه، اینکه ما یک مداری داشته باشیم که اگر مستقیم هم به سیم فاز دست بزنیم و برق ما رو نگیرد خیلی عالی است دلیلش هم این است که وقتی برق می آید و وارد بدن شخص می شود و بعد از آنجا وارد زمین می شود، وقتی می خواهد از زمین خارج شود مسیری برای خارج شدن پیدا نمی کند چون ما منبع را زمین نکرده ایم و اصلاً هیچ قسمتی از این مدار به زمین وصل نیست و زمانی هم که جریان برق نتواند مدار خودش رو ببندد و یک حلقه تشکیل بدهد جریان نمی تواند در آن حرکت کند و برق گرفتگی به وجود نمی آید.

اولین سیستم برق رسانی

اما همین مزیت باعث نقطه ضعف این سیستم شد چون به همین دلیل هم اگر اتصالی در مدار به وجود بیاید این اتصالی تشخیص داده نمی شود. مثلاً اگر مثل تصویر زیر قسمتی از این مدار به طور ناخواسته به زمین اتصالی کند مثلاً سیم فاز یا نول زخمی بشوند و روی زمین بیفتند یا یک قسمت از سیم که زخمی شده به چارچوب در یا پنجره یا نرده ها برخورد کند در اینصورت یک قسمت از سیستم به طور ناخواسته زمین شده می شود. در این شرایط این اتصالی اصلاً تشخیص داده نمی شود. دلیل آن هم دوباره بخاطر این است که جریان وقتی از طریق این اتصالی به زمین می رسد وقتی می خواهد از زمین خارج شود، هیچ مسیری پیدا نمی کند و نمیتواند حلقه بسته ایجاد کند. برای همین هیچ حفاظتی نمی تواند آن را تشخیص دهد حتی اگر حساس ترین حفاظت ها را نیز قرار دهیم مثل کلید مینیاتوری یا فیوز یا RCD هیچ کدامشان نمی توانند این اتصالی را تشخیص دهند. حالا چه اتفاقی می افتد؟ این اتصالی ممکن است روزها یا ماه ها به همین صورت باقی بماند تا اینکه شخصی بیاید و به سیم فاز(یا سیم حامل جریان) دست بزند، چون قبلاً این را شنیده بود که اگر به سیم فاز دست بزند اتفاقی برایش نمی افتد اما این بار فرد دچار برق گرفتگی می شود، چون وقتی جریان وارد بدن شخص می شود این بار دیگر جریان می تواند از طریق سیم نولی که روی زمین افتاده حلقه خود را ببندد و به این صورت جریان بین بدن شخص و زمین به حرکت در می آید( مسیر حلقه اتصال کوتاه را که بصورت نقطه چین زرد رنگ هست می توانید در تصویر زیر ببینید). پس در این حالت اگر فرد به طور مستقیم به سیم فاز دست بزند دچار برق گرفتگی می شود یا اینکه اگر سیم فاز یا سیم حامل جریان به بدنه دستگاه اتصالی کند و شخص به دستگاه معیوب دست بزند باز هم دچار برق گرفتگی می شود. جدای از برق گرفتگی ، به خود دستگاه آسیب می رسد و دستگاه می سوزد. تا مدت حدود ۴۵ سال بشر به همین صورت از برق استفاده می کرد و به همین صورت به مردم برق می رسید بدون اینکه از هیچ اتصال زمینی استفاده شود. ( از سال ۱۸۸۰ تا ۱۹۲۴ برق رسانی بدون زمین کردن شبکه و تجهیزات انجام می شد که اولین مرحله از تاریخچه ارتینگ محسوب میشود. )

معایب اولین سیستم برق رسانی

کم کم وقتی این برق گرفتگی ها و آتیش سوزی ها بالا رفت بر آن شدند که چاره ای بیندیشند.

یک راهکار پیشنهاد دادند، این بار بدنه وسیله های برقی را زمین کردند و آن ها را مانند تصویر زیر به زمین وصل کردند. این سیستم به سیستم IT معروف شد چون در سیستم IT بدنه دستگاه ها به زمین وصل می شود اما هیچ قسمتی از منبع به زمین وصل نمی شود. ( در سال ۱۹۲۴ اتصال بدنه تجهیزات به زمین توسط انجمن مهندسان برق(IEE) اجباری شد که دومین مرحله از تاریخچه ارتینگ محسوب میشود. )

این بار اگر شخص به وسیله معیوب دست بزند، هم پاهای او روی زمین است و هم دستش از طریق این الکترود زمین به زمین وصل است و به این روش خواستند که اختلاف ولتاژ را بین دست و پای شخص از بین ببرند. اما اینجا باز هم همانطور که در تصویر می بینید یک حلقه کوچیک(نقطه چین زرد رنگ ) درست می شود و یک اختلاف ولتاژ کمی بین دست و پای شخص به وجود می آید. بعضی موقع ها که این اختلاف ولتاژ زیاد بود فرد دچار برق گرفتگی میشد. پس با این روش گاهی موقع ها شخص نجات پیدا می کرد و گاهی موقع ها هم دچار برق گرفتگی میشد.

سیستم برق رسانی IT در حالت تکفاز

مجدداً برای آن راهکار دیگری اندیشیدند، این بار سیستم برق رسانی زیر را پیشنهاد دادند که سومین مرحله از تاریخچه ارتینگ محسوب می شود. یعنی هم یک نقطه از منبع به زمین وصل شد و هم بدنه دستگاه ها را به زمین وصل کردند که اسم این سیستم، سیستم TT است. البته در حالت تکفاز به این صورت است در ویدئویی که انتهای این مقاله قرار دارد، حالت سه فاز آن را نیز بررسی می کنیم. (زمین کردن نول ترانس ها در سال ۱۹۲۷ اجباری شد.)

در این دوران بود که سیم های فاز و نول تعریف شدند و ما دیگر آنها را با این اسم ها می شناسیم. سیم فاز سیم حامل جریان است و سیم نول سیمی است که از همان ابتدا و از منبع به زمین وصل شده و با زمین هم پتانسیل شده است. خوب حالا در این حالت اگه اتصالی در وسیله برقی به وجود بیاید جریان بصورت حلقه زرد رنگی که در تصویر میبینید مسیرش را می بندد یعنی الکترود اول وارد زمین می شود و از طریق الکترود دیگر، از زمین خارج می شود.

اما حالا باید ببینیم که حفاظتی که در تصویر می بینیم و در مسیر سیم فاز قرار گرفته است میتواند این اتصالی را تشخیص دهد و مدار را قطع کند؟  اگه بتواند مدار را قطع کند و جان فرد را  نجات دهد و فرد دچار برق گرفتگی نشود، این سیستم برق رسانی درست کار میکند و می توانیم از آن استفاده کنیم. پس بیایید این موضوع را بررسی کنیم.

سیستم برق رسانی TT در حالت تکفاز

فرض کنید از کلید مینیاتوری ۱۶ آمپر تایپ C استفاده کنیم که نوع مرسومی هست و همه جا استفاده می شود. در اینصورت برای اینکه این مینیاتوری جریان را قطع کند باید ۱۰ برابر حالت عادی از آن جریان عبور کند تا بتواند بصورت آنی وارد عمل شود و مدار را ظرف مدت ۰.۰۱ ثانیه قطع کند، همانطور که میدانید مینیاتوری های تایپ C به این صورت هستند و برای تایپ B باید ۵ برابر جریان نامی از مینیاتوری عبور کند تا کلید آنی قطع کند. پس برای کلید تایپ C باید ۱۰ را ضربدر ۱۶ آمپر کنیم و ۱۶۰ آمپر به دست می آید. پس اگر ۱۶۰ آمپر از مینیاتوری عبور کند، اتصالی تشخیص داده می شود و مدار قطع می شود. حالا اگر ۲۳۰ ولت را تقسیم بر ۱۶۰ آمپر کنیم. عدد ۱.۴ اهم به دست می آید.

محاسبه مقاومت الکترودها

یعنی مقاومت دو الکترود بالا با هم، باید ۱.۴ اهم باشد تا جریان ۱۶۰ آمپر بتواند در این حلقه به گردش در آید . پس باید هر الکترود ۰.۷ اهم مقاومت داشته باشد که مقاومت خیلی پایینی است و اگر بخواهیم چنین مقاومتی را بدست آوریم هزینه خیلی بالایی را باید صرف کنیم و الکترود زمین گران قیمتی را باید بخریم و اصلا مقرون بصرفه نخواهد بود. در ضمن اگر بجای مینیاتوری ۱۶ آمپر از ۲۵آمپر یا ۳۲ آمپر استفاده کنیم که شرایط خیلی بدتر میشود و مقاومت الکترودهای زمین باید از این هم کمتر باشد. بنابراین فهمیدند که این روش هم کارامد نیست و باید چاره ی دیگری اندیشید.

این بار سیستم برقرسانی پایین را پیشنهاد دادند. همان سیستم قبلی است فقط همبندی همپتانسیل کننده را نیز اجرا کردند. یعنی هر جسم فلزی که وجود دارد مثل کف زمین، در و پنجره فلزی، بدنه یخچال، لباسشویی، لوله های فلزی آب و گاز و هر چیز فلزی که وجود دارد و احتمال دست زدن به آن ها وجود دارد را با سیم همبندی به یکدیگر متصل می کنیم و در آخر به شینه زمین وصل می کنیم. این کار باعث میشود که اگر اتصالی به وجود بیاد و شخص به وسیله معیوب دست بزند، دست و پای این شخص یک ولتاژ را ببینند یعنی اختلاف ولتاژی بین دست و پای این شخص وجود نداشته باشد. چون عامل برقراری جریان و برق گرفتگی اختلاف ولتاژ است. پس خیلی ساده توانستند این شخص را از برق گرفتگی نجات دهند. این وضعیت مثل همان پرنده هایی می ماند که روی سیم برق می نشینند اما چون هر دو پای پرنده روی یک سیم است پس اختلاف ولتاژی بین پاهای پرنده وجود ندارد و دچار برق گرفتگی نمی شوند. (در سال ۱۹۳۵ استانداردهای جامع حفاظت اشخاص و تجهیزات نوشته شدند که این مرحله، مرحله چهارم از تاریخچه ارتینگ بود.)

سیستم برق رسانی TT به همراه همبندی

پس ما در این روش توانستیم جان این شخص را نجات دهیم و فرد دیگر دچار برق گرفتگی نمی شود اما اتصالی که برای این وسیله برقی به وجود آمده ممکن است تشخیص داده نشود و اتصالی باقی بماند و ممکن است حفاظت این مدار نتواند مدار را قطع کند. چون گفتیم که حلقه اتصال کوتاهی که اینجا تشکیل شده، بخشی از مسیر خودش را داخل زمین می بندد و در مسیرش از دو الکترود زمین عبور می کند بنابراین ۲  مقاومت را سر راه خودش می بیند، بنابراین جریان اتصال کوتاه افت میکند و هر چقدر جریان کمتر شود تشخیص آن برای حفاظت ها سخت تر میشود و مینیاتوری نمی تواند آن را تشخیص دهد و ممکن است بعضی مواقع مدار قطع شود و بعضی مواقع نه.

آخرین مرحله از تاریخچه ارتینگ و آخرین کاری که بشر انجام داد استفاده از این سیستم برقرسانی بود که در سمت فشار ضعیف استفاده میشود و امروزه داریم از این همین روش استفاده میکنیم و برق فشار ضعیف به این صورت در دسترس مصرف کننده ها و منازل مسکونی قرار می گیرد و به این صورت توزیع میشود. این همان سیستم TN است که ما هم در کشورمان از همین روش استفاده می کنیم. تفاوت این سیستم با قبلی در این است که هادی حفاظتی به این مدار اضافه شده است (هادی حفاظتی یا سیم ارت). همانطور که در تصویر زیر می بینید بخشی از مسیر هادی PEN را داریم و از قسمتی به بعد هادی های نول و حفاظتی از هم تفکیک شده اند و ما دیگر هادی های فاز، نول و حفاظتی داریم. این هادی به بدنه وسیله های برقی متصل میشود و در انتها به شینه ارت متصل می شود. کاری که این هادی حفاظتی انجام میدهد خیلی مهم است، در طرح قبلی اگر اتصالی داشتیم جریان بخشی از حلقه خودش را داخل زمین می بست بنابراین مقاومت زمین روی جریان تاثیر می گذاشت. اما اینجا اگه اتصالی به وجود بیاید این اتصالی مانند نقطه چین های زرد رنگی که در تصویر می بینید، حلقه خودش را از طریق هادی حفاظتی یا PE میبندد و از زمین عبور نمی کند، و چون این سیم ها مقاومتی ندارند و مقاومتشان ناچیز است بنابراین جریان زیادی در این حلقه به گردش در می آید و حفاظت را تحریک می کند و به عکس العمل وامیدارد و مدار را قطع می کند. پس در این سیستم هم توانستیم شخص را از برق گرفتگی نجات دهیم و هم اتصالی به وجود آمده در سیستم را تشخیص داده و مدار را قطع کنیم.

سیستم برقرسانی TN در حالت تکفاز

خوب این هم ازتاریخچه ارتینگ که آن را مرور کردیم. اکنون می توانید در ویدئو زیر انواع سیستم های برق رسانی را در حالت سه فاز نیز مشاهده کنید. در این ویدئو سیستم های IT,TT,TNC,TNS,TNCS در حالت سه فاز توضیح داده شده است.