مبانی اتصال زمین و ایمنی در سامانههای برق صنعتی
اتصال زمین اغلب در سیستمهای صنعتی نامرئی است، اما ایمنی، پایداری و بقای سیستم را در شرایط بروز خطا تعیین میکند.
اصول اتصال به زمین و ایمنی در سیستمهای صنعتی
اتصال به زمین یکی از کممشاهدهترین بخشهای یک سیستم صنعتی است، اما مستقیماً تعیین میکند تجهیزات در شرایط واقعی بروز خطا با چه میزان ایمنی و قابلیت اطمینانی کار کنند.
از ایمنی اپراتور گرفته تا حفاظت از تجهیزات و کنترل الکتریسیته ساکن، اتصال به زمین پایه طراحی سیستمهای الکتریکی در محیطهای مدرن اتوماسیون است.
شکل ۱. هادیهای اتصال به زمین متصل به شینه درون یک تابلو صنعتی.
اتصال به زمین برای ایمنی کارکنان
در محیطهای صنعتی، ایمنی همواره اولویت طراحی سیستم را تعیین میکند.
سیستم اتصال به زمین تضمین میکند که جریانهای خطای ناخواسته هنگام خرابی تجهیزات از بدن اپراتورهای انسانی عبور نکنند.
بیشتر خرابیها در نقاط اتصال، مانند ترمینالها، کانکتورها یا بلوکهای توزیع رخ میدهند.
هنگامی که یک هادی برقدار با محفظه فلزی تماس پیدا میکند، شبکه اتصال به زمین مسیری با مقاومت کم فراهم میکند که تجهیزات حفاظتی را بلافاصله فعال میسازد.
این سازوکار از عبور جریان خطرناک از بدن کارکنان جلوگیری کرده و خطر برقگرفتگی مرگبار را کاهش میدهد.
حفاظت از تجهیزات و پایداری سیستم
اتصال به زمین همچنین سیستمهای صنعتی را هنگام رخدادهای گذرای الکتریکی پایدار میکند.
این رخدادها ممکن است از کلیدزنی موتورها، بارهای القایی یا پدیدههای خارجی مانند اضافهولتاژهای ناشی از صاعقه ایجاد شوند.
بدون یک مسیر مناسب اتصال به زمین، انرژی گذرا ممکن است وارد تجهیزات الکترونیکی حساس کنترلی شده و به مدارهای داخلی آسیب برساند.
در سیستمهای اتوماسیونی که به پلتفرمهای PLC و DCS مانند ABB 800xA و AC 800M متکی هستند، یکپارچگی اتصال به زمین مستقیماً بر زمان آمادهبهکاری و قابلیت اطمینان سیستم تأثیر میگذارد.
شکل ۲. سیستم الکترود اتصال به زمین که زیرساخت الکتریکی تأسیسات را به زمین متصل میکند.
شبکههای اتصال به زمین و مسیر جریان خطا
یک سیستم اتصال به زمین که بهدرستی طراحی شده باشد، تضمین میکند جریان خطا در مسیری کنترلشده به منبع بازگردد.
این مسیر کنترلشده افزایش ولتاژ روی سطوح فلزی در معرض تماس را محدود کرده و به تجهیزات حفاظتی اجازه میدهد برق را بهسرعت قطع کنند.
بدون این مسیر، انرژی ممکن است از مسیرهای PCB یا ماژولهای کنترلی تخلیه شود و به آسیب دائمی تجهیزات و توقف سیستم منجر گردد.
الکتریسیته ساکن و کنترل ESD
تخلیه الکترواستاتیکی در محیطهایی که با تجهیزات الکترونیکی، پودرها یا مواد قابلاشتعال سروکار دارند، به نگرانی مهمی تبدیل میشود.
حتی اختلاف پتانسیل اندک میان دو سطح رسانا نیز میتواند موجب رخداد تخلیه شود.
اگرچه ممکن است جریان ناچیز باشد، آزاد شدن انرژی همچنان میتواند مواد حساس را مشتعل کرده یا به قطعات نیمهرسانا آسیب برساند.
اتصال به زمین پتانسیل الکتریکی تمام عناصر رسانای محیط را همسطح میکند.
این عناصر شامل فریم تجهیزات، ایستگاههای کاری، اپراتورها و سیستمهای ابزارآلات هستند.
سیستمهای کنترل ESD، مانند مچبندهای ضدالکتریسیته ساکن و کفپوشهای متصل به زمین، این حفاظت را به نقاط تماس انسان نیز گسترش میدهند.
شکل ۳. مچبند ESD پتانسیل میان اپراتور و تجهیزات را برابر نگه میدارد.
استانداردهای صنعتی و ماده ۲۵۰ کد NEC
طراحی اتصال به زمین از چارچوبهای مقرراتی سختگیرانهای پیروی میکند که در استانداردهایی مانند ماده ۲۵۰ کد NEC و UL 508A تعریف شدهاند.
این استانداردها نحوه اجرای هادیهای اتصال به زمین، سیستمهای همبندی و اتصالات زمین را در تأسیسات صنعتی مشخص میکنند.
آنها همچنین اندازه هادی، روشهای اتصال و الزامات حفاظت در برابر خطا را تعیین میکنند تا عملکرد سیستم قابلپیشبینی باشد.
در سیستمهای اتوماسیون بزرگمقیاس که از پلتفرمهایی مانند GE Fanuc RX3i / RX7i PACSystems استفاده میکنند، رعایت این استانداردها ایمنی عملیاتی بلندمدت و آمادگی برای دریافت گواهی را تضمین میکند.
نتیجهگیری
اتصال به زمین یک عنصر کمکی در طراحی نیست.
این اتصال مرز ایمنی میان عملکرد عادی و شرایط خطای الکتریکی را تعیین میکند.
از حفاظت کارکنان گرفته تا پایداری سیستم و کنترل ESD، اتصال به زمین تضمین میکند سیستمهای اتوماسیون صنعتی در تمام سناریوهای عملیاتی عملکردی قابلپیشبینی داشته باشند.
درک نقش آن برای طراحی سیستمهای کنترل ایمن و قابلاعتماد در محیطهای صنعتی مدرن ضروری است.