۳ اشتباه مهم در پروژه‌های گراندینگ و ارتینگ

بهترین راه برای محافظت از مردم در برابر شوک الکتریکی و محافظت از تجهیزات در برابر آسیب‌های الکتریکی ناخوشایند، این است که تمام قطعات رسانا در معرض تماس را به هم متصل کنیم و آنها را به یک سیستم الکترود مشترک، زمین یا ارت کنیم تا اطمینان حاصل شود که هیچ اختلاف پتانسیلی وجود ندارد.
این اصل اساسی ایمنی الکتریکی برای مردم از زمان توماس ادیسون و نیکولا تسلا، هدف اصلی زمین کردن و ارتینگ در مهندسی برق بوده است. پس چرا زمین کردن، ارتینگ و باندینگ برای بسیاری از افراد معما هستند؟
در واقع، بزرگترین مشکل در ایمنی انسان در پروژه‌های مهندسی برق، مشارکت نکردن کارشناسان گراندینگ در مراحل اولیه یک پروژه است تا بتوانند به یافتن راه حل مناسب زمین کردن/ارتینگ برای مشتریان شما کمک کنند.
در اینجا لیستی از ۳ اشتباه مهمی که افراد در پروژه‌های زمین کردن و ارتینگ مرتکب می‌شوند، آورده شده است:

۱- طراحی‌های کلیشه‌ای گراندینگ بدون درک اهداف سیستم

هدف سیستم گراندینگ موقعیت شما چیست؟ یک هواپیما دارای یک سیستم گراندینگ گسترده است، هدف آن کاهش اختلاف پتانسیل بین اجزای فلزی هواپیما تا نزدیک صفر است تا بتواند بطورامن برخوردهای صاعقه حین پرواز را همراه با سایر الزامات سیستم‌های الکترونیکی کنترل کند.

هدف سیستم گراندینگ برای یک پست برق چیست؟ پست های برق اغلب دو (۲) هدف اصلی برای سیستم‌های زمین کردن و ارتینگ دارند: اول محافظت از پرسنل در برابر ولتاژهای خطرناک گام و تماس است (به CFR 1910.269 29 و استاندارد IEEE Std. 80 مراجعه کنید) و دوم ارائه مکانیزمی برای جریان‌های خطا جهت عبور از زمین یا خاک است. در سطح پست ها و نیروگاه ها، NESC امکان استفاده از زمین را به عنوان رسانا فراهم می‌کند و ممکن است بخشی از مسیر جریان خطا برای ترانسفورماتورها باشد.

هدف سیستم گراندینگ برای برخی از آنتن‌ها، بشقاب‌های ماهواره، برشگر‌های پلاسما و دستگاه‌های MRI چیست؟ برخی از تجهیزات از سیستم گراندینگ به عنوان بخشی از مدار حقیقی آن استفاده می‌کنند و مقدار کم مقاومت به زمین برای عملکرد صحیح آن بسیار مهم است.

هدف گراندینگ برای درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، دستگاه‌های حفاظت نوسان (SPD) و دستگاه‌هایی که به زمین‌های ایزوله نیاز دارند چیست؟ هدف سیستم های گراندینگ در مراکز داده و کامپیوتر چیست؟ چگونه از این سیستم‌ها در برابر صاعقه محافظت می‌کنید؟

آیا ترانسفورماتور ورودی شرکت برق برای موقعیت شما از سیستم گراندینگ شما برای رفع خطاهای الکتریکی مربوط به برق منبع استفاده می‌کند؟ اگر چنین است، می‌توانید مسئولیت اطمینان از ایمنی الکتریکی پرسنل خود را تحت ۲۹ CFR 1910.269 App C بر عهده بگیرید.

آیا حصار شما طبق ماده ۱۹۱/۲۵۰ و ۱۹۴/۲۵۰ کد الکتریکی ملی (NEC) به گراندینگ نیاز دارد؟

آیا موقعیت شما دارای رباتیک سنگین، سیستم‌های الکترونیکی خاص یا سرورهای کامپیوتری است که ممکن است برای محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی به سیستم‌های گراندینگ اضافی نیاز داشته باشند؟

آیا در موقعیت شما مایعات قابل اشتعال یا سایر مواد منفجره وجود دارد؟ آیا به ترانسفورماتورهای ایزولاسیون، شاید ترانسفورماتور زیگزاگ برای کمک به رفع خطای الکتریکی محلی نیاز دارید؟

بدیهی است که فهرست مواردی که ممکن است نیاز به گراندینگ و ارتینگ تخصصی داشته باشند، ادامه دارد و مسئولیت مربوط به ایمنی الکتریکی و عملکرد تجهیزات بالاست. هیچ طرح کلیشه‌ای مقرون به صرفه ای وجود ندارد که با همه سناریوهای احتمالی مطابقت داشته باشد.

۲- عدم در نظر گرفتن کل مقیاس و محدوده گراندینگ

لحظه ای به ساختمانی که اکنون در آن نشسته اید فکر کنید. چند رسانای حامل جریان در کل ساختمان وجود دارد؟ اکنون به این فکر کنید که چند رسانای زمین شده یا ارت شده وجود دارد. برای اکثر مدارهای الکتریکی، شما یک (۱) رسانای برق دار و دو (۲) رسانای زمین شده/ ارت شده دارید. این دو سوم رساناهایی است که زمین شده/ ارت شده هستند! به این لیست، سیم‌های شیلد در کابل‌های Coax، CATV، CAT5/6، سیستم هشدار و سایر خطوط مخابراتی و داده را اضافه کنید. اکنون سیستم‌های حفاظت از صاعقه، میلگردهای فولادی در فوندانسیون، فولاد ساختمان، لوله برق و مسیرهای عبوری، لوله‌های آب، زمین‌های هم پتانسیل استخر، لوله‌های گاز و سیستم‌های اطفا حریق آبی را اضافه کنید.
شما ممکن است سیستم‌های گراندینگ ویژه‌ای برای سیستم‌های الکترونیکی حساس و شبکه های هم پتانسیل برای تجهیزات صنعتی خود، زمین‌های ایزوله، زمین‌های سیستم داده ویژه و حتی ترانسفورماتورهای ایزولاسیون داشته باشید. البته، تک تک اشیای فلزی قابل لمس در ساختار خود را فراموش نکنید! و ما حتی به سیستم های الکترود گراندینگ و ارتینگ شما مانند میله های زمین، صفحه زمین، حلقه های زمین، الکترودهای الکترولیتی، الکترودهای مدفون در بتن و غیره اشاره نکرده ایم. همه این اجزا ساختار سیستم گراندینگ و ارتینگ شما را تشکیل می‌دهند و بسیار گسترده تر از هر مجموعه ای از سیم های فاز/داغ است.
اینجا در E&S بارها و بارها شاهد صرفه‌جویی در هزینه‌ها در پروژه‌هایی هستیم که با یک پیش برنامه‌ریزی می‌توان ده‌ها هزار دلار برای مشتری صرفه‌جویی کرد! برای مثال:

• پروژه‌هایی که در آن مکان فیزیکی سیستم زمین مدفون شده هنگام درنظرگرفتن اتصالات درجه بالاتر آینده که در نهایت مورد نیاز خواهند بود، حتی در نظر گرفته نمی‌شود.
• پروژه‌هایی که در آن ستون‌ها و پایه‌هایی که می‌توانستند برای محافظت در برابر صاعقه برای رسانا‌ها و الکترودهای زمین با چند دلار مواد استفاده شوند، بعداً هزاران هزینه را به مشتری تحمیل می‌کنند تا منصوبات LPS زشت خارجی و با سود کلی کمتر را در اختیار مشتری قرار دهند.
• پروژه‌هایی با شبکه‌های میلگرد فولادی گسترده که در بتن، درست چند اینچ زیر کف کارخانه‌های رباتیک نصب شده‌اند، بعداً به‌عنوان یک شبکه هم‌پتانسیل کم‌هزینه و بسیار مؤثر برای کسری هزینه نصب شبکه هم‌پتانسیل درجه بالاتر استفاده نمی‌شوند.
• پروژه‌هایی با سیستم‌های الکترونیکی حساس که می‌توانستند نه تنها از یک سیستم الکترود اختصاصی، بلکه از یک ترانسفورماتور ایزولاسیون بهره ببرند که همه آن‌ها می‌توانستند به راحتی در طول طراحی/ساخت اولیه به‌طور مقرون به صرفه ای نصب شوند، اما اکنون ده‌ها هزار دلار هزینه دارند.
• پروژه ای که در آن سیستم زمین کردن باید دارای مشخصات مهندسی مانند مشخصه مقاومت به زمین باشد، اما شرکت A&E محاسبات خود را انجام ندادند و در عوض بار را بر عهده نصاب برق قرار داده تا سیستم گراندینگ را برای مطابقت با مشخصات آزمایش و اصلاح کند که باعث هزینه‌های بیش از حد، تاخیرها و توافق‌های غیرضروری در سیستم زیرساخت ایمنی الکتریکی اولیه موقعیت‌ها یعنی گراندینگ می‌شود.
ما می‌توانیم به فهرست کردن مثال‌های متعدد ادامه دهیم، اما تا به الآن شما باید به نکته اصلی پی برده باشید. مشارکت زودهنگام و منظم طی مرحله طراحی، کلید تضمین مهندسی مناسب است و زمانی که مهندسی به درستی انجام شود، مقرون به صرفه ترین راه حل‌ها را به مشتری ارائه می‌دهد.

۳- سیم کشی نادرست اتصالات نول به زمین که منجر به برق گرفتگی می‌شود

مسلماً یکی از قسمت‌های درست درک نشده کد ملی برق (NEC)، ماده (B) 24/250 «جامپر باندینگ اصلی» و ۲۸/۲۵۰ «جامپر باندینگ اصلی و جامپر باندینگ سیستم» است.
آیین نامه به سادگی با ارائه نکردن دستورالعمل‌های واضح و قابل درک برای زمانی که اتصال نول به زمین در خارج از ترانسفورماتور مورد نیاز است و زمانی که مورد نیاز نیست، به دنیای برق آسیب زیادی رسانده است. متأسفانه، این عدم ارائه راهنمایی روشن منجر به برق گرفتگی و مرگ و میرهای بسیار شده است.
نگرانی اصلی این است که هروقت یک اتصال نول به زمین در پانل (خارج از خود ترانسفورماتور) ایجاد می‌شود، می‌تواند به جریان‌های مخالف اجازه دهد که برخلاف ماده ۶/۲۵۰ NEC جریان یابند. جریان‌های مخالف زمانی هستند که جریان‌های خنثی معمولی، که باید روی رسانای خنثی باشند، اجازه دارند از میان اجسام قابل تماس غیرحامل جریان عبور کنند.
یعنی حین عملکرد عادی و نه زمانی که یک خطا رخ می‌دهد، بلکه زمانی که سیستم در اوج عملیات اجرا می‌شود. جریان های خطرناکی که باید به ترانسفورماتور روی رساناهای خنثی عایق بندی شده برگردند، در عوض روی اجسام فلزی در معرض و قابل تماس برگشت می‌کنند. ما این جریان‌های خطرناک را «جریان های مخالف» می‌نامیم و بسیار خطرناک هستند.
این موضوع واقعاً مستلزم آن است که نویسندگان کد بنشینند و بخش‌های عظیمی از کد را اصلاح کنند، مقدار زیادی از بخش ۳ ماده ۲۵۰ را بطور جامع و کامل بازنویسی کنند. نویسندگان آیین نامه به جای انجام این کار، یا به جای الزام کردن ساده شرکت برق به آوردن یک رسانای زمین به سرویس، تمام تلاش خود را کرده اند تا از بازنویسی کامل اجتناب کنند و قطعه‌های پراکنده آیین نامه در سراسر ماده ۲۵۰ و حتی بیشتر در کتاب راهنما در اختیار داشته باشند تا از جریان‌های مخالف جلوگیری کنند. آنها شکست خورده اند. به عنوان مثال، آیین نامه به ما می‌گوید که چه زمانی و چگونه از اتصال NTG در مکان‌های زیر استفاده کنیم:

۱- ۲۵۰٫۲۴(B)
۲- ۲۵۰٫۲۸

اما پس از آن، آیین نامه استثناها و ممنوعیت‌هایی را برای دو کد فوق در حداقل سیزده (۱۳) مکان مختلف ارائه می‌کند. در اینجا لیستی از مکان‌هایی که آیین نامه به ما می‌گوید که چه زمانی از اتصال NTG استفاده نکنیم، آورده شده است:

۱- NEC Articles 250.6(B)
۲- ۲۵۰.۲۴(A)(5) HB Notes
۳- ۲۵۰.۳۰ HB Notes “Application Examples 1, 2 and 3”
۴- ۲۵۰.۳۰(A)
۵- ۲۵۰.۳۰(A) HB Notes “Common Misconception”
۶- ۲۵۰.۳۰(A)(1)
۷- ۲۵۰.۳۰(A)(1) Exception #2
۸- ۲۵۰.۳۰(A)(1) Exception #3 (a) and (b)
۹- ۲۵۰.۳۰(A)(5) HB notes
۱۰- ۲۵۰.۳۲(B)(2)(b)
۱۱- ۲۵۰.۳۲(B)(1) HB notes
۱۲- ۲۵۰.۱۴۲(B)
۱۳- HB Exhibit 250.8

توجه داشته باشید که نویسندگان کد برای تصحیح کد ضعیف نوشته شده در (B)24/250 و ۲۸/۲۵۰ به شدت به تفسیر داخل کتاب راهنما (HB) متکی هستند. متأسفانه، به برقکاران آموزش داده می‌شود که تفسیر کتاب راهنما آیین نامه نیست، بلکه فقط راهنمایی است. این منجر به یکی از رایج ترین اشتباهات مردم در سیستم‌های گراندینگ می‌شود، آنها سیستمی با جریان های مخالف خطرناک طراحی می‌کنند.
پس چرا سردرگمی؟ خوب، این همان پاسخ قدیمی است که تقریباً برای هر مشکلی در مهندسی با آن روبرو می شویم یعنی پول.
ضرب‌المثلی رایج است که می‌گوید: «هر احمقی می‌تواند یک پل بسازد که پابرجا بماند، اما برای ساختن پلی که به سختی پابرجاست به یک مهندس نیاز است»

بیشر بخوانید:

انواع الکترودهای زمین
در حالی که نقل قول بالا ممکن است اغراق آمیز و ساختگی به نظر برسد، اما نکته بسیار خوبی را نشان می‌دهد: هم طراحی کم و هم طراحی بیش از حد، مهندسی خوبی نیستند.
این دقیقاً همان چیزی است که وقتی صحبت از اتصال نول به زمین در پانل سرویس ما می‌شود، می‌یابیم. دلیل آن چیست؟ خوب، دلیل آن این است که شرکت برق نمی‌خواست برای سیم زمین از ترانسفورماتور به پانل سرویس سازه شما پولی بپردازد. دلیل آن همین است. همه آن کدهای ذکر شده در بالا، همه سردرگمی‌ها، همه مرگ و میرها، همه برای صرفه جویی چند دلاری در هزینه‌های سیم است.
یک دقیقه به خدماتی که وارد خانه شما می‌شود فکر کنید. در ایالات متحده، احتمالاً از یک تیر برق هوایی می‌آید و شامل دو (۲) سیم مسی و یک سیم فولادی است. دو سیم مسی سیم های فاز شما (سیم‌های داغ) هستند. سیم فولادی باید سه (۳) کار را انجام دهد: باید مسیر برگشت برای جریان‌های نول باشد، باید مسیر جریان خطای زمین در صورت بروز خطای الکتریکی باشد، و باید سیم پشتیبانی برای دو رسانای دیگر باشد.
در حال حاضر، برخی از مکان‌ها در ایالات متحده در واقع دارای سه (۳) سیم مسی، دو (۲) سیم فاز، و یک (۱) سیم نول، علاوه بر سیم مهار پشتیبان هستند. هر سه (۳) معمولاً رساناهای حامل جریان هستند. با این حال، سیم نول هنوز باید دو (۲) کار انجام دهد: باید مسیر برگشت برای جریان‌های نول باشد، و باید مسیر جریان خطای زمین در صورت بروز خطای الکتریکی باشد.
اگر شرکت برق بخواهد یک سیم زمین معمولی غیر حامل جریان را همراه با سیم های حامل جریان معمولی خود بیاورد، شما نیازی به اتصال نول به زمین در تابلو برق خود نخواهید داشت، زیرا سیم نول فقط یک (۱) وظیفه دارد: مسیر برگشت جریان‌های نول باشد. سیم زمین جدید وظیفه دارد در صورت بروز خطای الکتریکی، مسیر جریان خطا باشد.
برای لحظه ای یک کد الکتریکی را تصور کنید که به سادگی یک سیم زمین اختصاصی را از هر ترانسفورماتور، از جمله ترانسفورماتورهای شرکت برق، الزامی می‌کند و اتصالات نول به زمین را در هر جایی خارج از ترانسفورماتور ممنوع می‌کند. آیا این آسان نخواهد بود؟ و ایمن تر خواهد بود و هزینه کمتری در قبض برق شما نیز خواهد داشت (عبور جریان از طریق سیم مهار فولادی گران است)!
سیستم‌های الکتریکی ما باید مسیرهای اختصاصی جریان خطا داشته باشند. ما نباید به فولاد سازه‌ای ساختمان یا سیم‌های نول خود تکیه کنیم تا بخشی از آن مسیر باشیم، همانطور که نباید از پشتیبان‌های سازه‌ای ساختمان خود به عنوان تنها سیستم الکترود خود استفاده کنیم.
قرن بیست و یکم است و ما می توانیم بهتر از آنچه در قرن نوزدهم انجام شد، انجام دهیم.