زمین از موادی تشکیل یافته که غالباً هادی الکتریسیته هستند بخصوص در حالتیکه مرطوب باشند. بنابراین اگر شخصی که روی زمین قرار دارد با جسمی که نسبت به زمین دارای پتانسیل است تماس حاصل نماید به علت برقرار شدن جریان دچار برق گرفتگی میشود.
در ابتدای پیدایش صنعت برق نقطه نوترال (خنثی) آلترناتور و ترانسفورماتور ها را به زمین متصل نمی‌کردند. برای شبکه‌های کوچک آن دوران که دارای طول کم و ولتاژ پائین بودند نیازی به زمین کردن احساس نمی‌شد. این شبکه‌ها به شبکه‌های (نوترل مجزا) یا (غیر متصل به زمین) یا (زمین نشده) معروف بودند. البته حتی این شبکه‌ها هم از طریق خازنهای کوچک بین فازها و زمین با زمین اتصال الکتریکی با امپدانس زیاد داشتند. این شبکه‌ها نسبت به شکبه‌های زمین شده امروزی دارای چند امتیاز بودند. یکی اینکه اتصال اتفاقی یک فاز به زمین موجب برقراری جریان قابل ملاحظه و سبب قطع جریان برق و خاموشی نمی‌شد. دیگر اینکه در صورت تماس بدن شخصی که روی زمین قرار داشت با یکی از فازها به علت برقرار نشدن جریان خطرناک ، شخص دچار برق گرفتگی نمی‌گردید.
با توسعه شبکه‌ها و افزایش ولتاژ آنها جریانها در حالت اتصال یک فاز به زمین قابل ملاحظه گردید که متناوباً خود به خود قطع و وصل می‌شد و در محل اتصالی جرقه‌ای ایجاد می‌نمود که به پدیده (زمین جرقه زدن) معروف گردید.
در تمام تأسیسات الکتریکی ، بخصوص تأسیسات فشار قوی ، زمین کردن یکی از مهمترین و اساسی‌ترین اقدامی است که برای رفاه و سلامتی و اصولاً ادامه زندگی اشخاصی که به نحوی با این پست‌ها در تماس هستند و حتی در خارج از پست در رفت و آمد می‌باشند باید با دقت هرچه تمام‌تر و با توجه به قواعد و قوانینی که بدین منظور تحریر شده است انجام گیرد.
در تأسیسات برقی دو نوع زمین وجود دارد که ما یکی را زمین کردن حفاظتی و دیگری را زمین کردن الکتریک می‌نامیم. (VDE 141)
زمین کردن حفاظتی
زمین کردن حفاظتی عبارتست از زمین کردن کلیه قطعات فلزی تأسیسات الکتریکی در ارتباط مستقیم (فلز به فلز) با مدار الکتریکی قرار دارند. این زمین کردن به خصوص برای حفاظت اشخاص در مقابل اختلاف سطح تماس زیاد بکار برده می‌شوند. بدین منظور در پستهای فشار قوی ، باید تمام قسمتهای فلزی که در نزدیکی و همسایگی با فشار قوی قرار گرفته‌اند و امکان تماس عمدی و یا سهوی با آنها موجود است ، به تأسیسات زمینی که برای این منظور احداث نشده است متصل و مرتبط گردند. این قسمتها عبارتند از ستونها و پایه‌های فلزی ، درب و نرده‌های فلزی ، قسمتهای فلزی دسترس تمام دستگاهای اندازه‌گیری ، ایزولاتورها ، مقره‌های عبور ، بخصوص قسمتهای فلزی که برای کار کردن با دستگاه باید آنها را لمس کرد مثل چرخهای فرمان و انواع و اقسام تنظیم کننده‌ها و رگولاتورها ، دسته کلیدها و غیره زیرا در این قسمتها در اثر عبور جریان خیلی کم نیز عضلات است بطوری منقبض می‌شوند که باز کردن و رها کردن از آن غیرممکن و محال است و عاقبتی وخیم برای تماس گیرنده در پیش خواهد داشت.
بدین منظور و برای جلوگیری از هرگونه حادثه‌ای باید زمین حفاظتی به نحوی تأسیس گردد که قسمتی از مسیر جریان که توسط اعضاء بدن انسان اتصالی میشود (دست و یا پا) دارای تفاوت پتانسیل یا افت ولتاژ زیادی نباشد.
افت ولتاژ بستگی به شدت جریان و مقاومت مسیر جریان دارد.
شدت جریان اتصال زمین بیشتر بستگی به قدرت و نوع ارتباط شبکه با زمین دارد و در هر حال مقداریست معلوم و ثابت و قابل محاسبه و در ضمن غیرقابل پیشگیری. لذا برای کوچک نگهداشتن افت ولتاژ باید مقاومت مسیر جریان حتی‌المقدور کوچک نگهداشته شود. بطور مثال اگر یک مقره عبور که در دیوار مرطوبی نصب شده است بشکند و سیم فشار قوی با دیوار تماس پیدا کند و جریان اتصال زمین در این حالت 25 آمپر و مقاومت هر متر دیوار 10 اهم باشد ، مابین دو نقطه از دیوار که انسان با آن تماس دارد (فاصله دست و پا تقریباً 2 متر) اختلاف سطحی برابر با
V=I.R=25×2×10=500 V.H
بوجود می‌آید که مسلماً برای انسان خطرناک است. ولی اگر پایه فلزی مقره که به دیوار محکم شده بوسیله یک سیم نسبتاً ضخیم به زمین وصل شود ، در موقع اتصال بدنه یا اتصال زمین ، قسمت عمده جریان اتصالی از این سیم عبور میکند و کلیه قسمتهای دیوار هم پتانسیل سیم در آن نقطه خواهد شد. لذا افت ولتاژ در امتداد دیوار ناچیز شده و برای انسان خطری ایجاد نخواهد کرد.
عامل مؤثر خطر برای انسان یا هر موجود دیگر جریان میباشد که البته وجود اختلاف سطح است که باعث عبور این جریان می‌گردد. در فشار ضعیف جریانهای 1 تا 1/0 آمپر که از قلب می‌گذرد خطر جانی دارد.
زمین کردن الکتریکی
«زمین کردن الکتریکی» یعنی زمین کردن نقطه‌ای از دستگاه های الکتریکی و ادوات برقی که جزئی از مدار الکتریکی می‌باشند. مثل زمین کردن مرکز ستاره سیم‌پیچ ترانسفورمر و یا ژنراتور و یا زمین کردن سیم وسط یا سیم مشترک در ژنراتور جریان دائم سری شده (MP).
زمین کردن الکتریکی دستگاهها به خاطر کار صحیح دستگاهها و جلوگیری از ازدیاد فشار الکتریکی فازهای سالم نسبت به زمین در موقع تماس یکی از فازها به زمین میباشد.
زمین کردن الکتریکی سه نوع است:
الف- زمین کردن مستقیم
مثل وصل کردن مستقیم نقطه صفر ترانسفورماتور با نقطه‌ای از سیم رابط بین دو ژنراتور جریان دائم به زمین.
ب- زمین کردن غیر مستقیم
مانند اتصال نقطه صفر ژنراتور توسط یک مقاومت بزرگ به زمین یا اتصال نقطه صفر ستاره ترانسفورماتور توسط سلف بزرگ به زمین.
پ- زمین کردن بار
در این نوع زمین کردن نقطه صفر یا اصولاً هر نقطه از شبکه الکتریکی که دارای پتانسیل نسبت به زمین است توسط یک فیوز فشار قوی (الکترود جرقه‌گیر) به زمین وصل میشود. تا موقعی که در مدار بار است یعنی در حالت کار عادی شبکه ، ارتباط شبکه با زمین باز است ولی در موقعی که ولتاژ زیادی شبکه را تهدید میکند. مدار فیوز به کمک جرقه بسته میشود و شبکه مستقیماً با زمین ارتباط برقرار میکند. برقگیرهای فشار قوی انواع این فیوزها می‌باشند و به همین جهت زمین کردن باز در حقیقت نوعی از زمین کردن الکتریکی در حالت کار عادی شبکه محسوب نمی‌شوند. از زمین الکتریکی اغلب در موقعی که دستگاهها و شبکه برقرسانی بدون عیب نیز میباشد جریان عبور میکند. در صورتیکه از زمین حفاظتی فقط در موقع ارتباط فازها به زمین جریان عبور میکند.
اصطلاحاتی که در زمین کردن بکار برده میشود
1. زمین
زمین در این مبحث به معنی نوع و جنس زمین است ، مثل خاک رس ، ماسه ، شن و سنگ‌لاخ ، باتلاق ، مرداب و غیره ...
2. میل زمین (زمین کننده)
میل زمین عبارتست از هادی یا فلزی به هر شکل (صفحه‌ای ، لوله‌ای ، طنابی ، پروفیل) که در زمین چال میشود و با زمین ارتباط برقرار میکند و ما به آن در این مبحث به اختصار «میل» می‌گوئیم.
3. زمین هم سطح
عبارتست از قسمتی از سطح زمین که بین نقاط مختلف آن در اثر عبور جریان از زمین اختلاف پتانسیل محسوسی ایجاد نمی‌شود. زمین همسطح تقریباً 20 متر از میل فاصله دارد.
4. میل زمان
عبارتست از سیم یا مفتول یا صفحه فلزی که مربوط به زمین کننده‌هاست و برای تنظیم افت پتانسیل و کوچک کردن ولتاژ تماسی خطرناک بکار برده می شود.
5. سیم زمین
عبارتست از سیم رابط بین زمین کننده (میل) و زمین شونده. آن قسمت از این سیم که در زمین قرار گرفته است جزئی از میل محسوب میشود و آن قسمت که در خارج از زمین و عایق نسبت به زمین کشیده شده است متعلق به سیم زمین میباشد.
6. شین زمین
عبارتست از شینی که تعداد زیادی سیم زمین از آن منشعب میشود.
7. تأسیسات زمین
عبارتست از مجتمع زمین کننده‌ها و شین‌ها و سیم‌های زمین و بطور کلی تمام قسمتهایی که به زمین کردن مربوط می‌شوند.
8. زمین کردن
زمین کردن عبارتست از رابطه برقرار کردن بین یک هادی و میل زمین این هادی ممکن است جزئی از مدار الکتریکی باشد (زمین کردن الکتریکی) و یا ممکن است در حالت عادی هیچگونه ارتباطی با مدار الکتریکی نداشته باشد. (زمین کردن حفاظتی)
مقاومت مخصوص زمین
مقاومت مخصوص زمین عبارتست از مقاومت یک متر مکعب از زمین به ابعاد 1m×1m×1m که بین دو الکترود صفحه‌ای سنجیده میشود.
واحد آن Ω m/m=Ωm میباشد. مقاومت مخصوص زمین بستگی به نوع مواد تشکیل دهنده زمین دارد و لذا در هر قسمت از زمین متفاوت است و بطور متوسط برابر است با
| 7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
| زمین سنگ‌لاخ |
ماسه یا شن خشک |
شن مرطوب |
ماسه نرم مرطوب |
خاک رس |
مرداب و باتلاق |
نوع زمین |
| 3000 |
1000 |
500 |
200 |
100 |
30 |
مقاومت مخصوص |
اتصال کوتاه
پس از تعیین مقطع کابل به طریق‌های ذکر شده باید از استقامت الکتریکی کابل در موقع عبور جریان اتصال کوتاه تا قطع کلید محافظ اطمینان حاصل کرد.
جریان اتصالی از دو طریق به کابل خسارت وارد میکند :
یکی در اثر نیروی الکترودینامیکی (استقامت دینامیکی کابل) و دیگری در اثر ازدیاد درجه حرارت (استفامت حرارتی کابل).
در استقامت دینامیکی کابل جریان ضربه‌ای اتصال کوتاه Is مؤثر است. درصورتیکه در استقامت حرارتی کابل حد وسط جریان اتصال کوتاه Ikm مؤثر واقع خواهد شد. در اتصال دو فاز بدون تماس با زمین و در اتصال کوتاه سه فاز فقط سیم‌ها تحت تأثیر حرارتی جریان اتصال کوتاه قرار می‌گیرند. در ضمن جریان اتصال کوتاه سه فاز معمولاً از جریان اتصال کوتاه دو فاز بدون ارتباط با زمین بزرگتر است.
در اتصال زمین یک قطبه و در اتصال کوتاه دو قطبه با تماس زمین و در اتصال زمین دوبل حفاظ فلزی و غلاف فلزی کابل نیز بعلت اینکه از آنها هم جریان عبور میکند خسارت می‌بیند.
بزرگترین خسارت را سیم در جریان اتصال کوتاه سه فاز می‌بیند و بهمین جهت باید استقامت الکتریکی کابل در جریان اتصال کوتاه سه فاز کنترل شود. فقط در شبکه‌های با نقطه ستاره زمین شده (با مقاومت خیلی کم) ممکن است جریان اتصال کوتاه یک قطبه و دو قطبه از جریان اتصال کوتاه سه قطبه بزرگتر شود.
استقامت الکترودینامیکی کابل
نیروی الکترومغناطیسی که دو سیم جریان‌دار بر یکدیگر دارد می‌کنند ، متناسب با مجذور جریان اتصال کوتاه ضربه‌ای است و از این جهت اغلب جریانهای اتصال کوتاه نه‌چندان زیاد نیز به کابل و سرکابل و موف کابل خسارت وارد می‌کنند. در کابلهای چند سیمه زرهی این نیرو توسط سیم‌های تابیده شده ، غلاف و زره فولادی دفع و خنثی میشود و معمولاً به کابل خسارتی وارد نمی‌آید و بیشتر موف‌ها و اتصال‌های کابل هستند که تاب مقاومت در مقابل نیروی عظیم جریان کوتاه ضربه‌ای را ندارند و متلاشی می‌شوند.
کابلهای یک سیمه که با خاک کوبیده پوشیده نمی‌شوند ، باید با بست‌های مخصوصی ثابت و محکم شوند. برای جلوگیری از حرارت اضافی باید بست‌ها غیر مغناطیسی باشند و یا اگر از بست فولادی استفاده میشود ، باید دارای مدار مغناطیسی باز باشند. نیروئی که در اثر جریان ضربه‌ای اتصال کوتاه بر کابلهای یک سیمه که در کنار هم کشیده شده‌اند وارد میشود در حالتهای مختلف و اتصال دوقطبه طبق روابط زیر میباشد.