چرا اتصال خنثی به زمین اغلب عامل پنهان قطع شدن RCD در کارگاه‌های بدون اتصال به شبکه است؟

مقدمه‌ای بر اتصال به زمین در سیستم‌های برق‌رسانی بدون اتصال به شبکه

در ساختمان‌های استاندارد متصل به شبکه، اتصال به زمین و حفاظت از ایمنی الکتریکی توسط ارائه‌دهنده خدمات برق و مقررات ساختمانی محلی دقیق انجام می‌شود. دستگاه‌های ایمنی مانند دستگاه‌های قطع جریان باقی‌مانده (RCD) یا قطع‌کننده‌های مدار نشت جریان زمین (GFCI) به‌طور قابل اعتمادی عمل می‌کنند، زیرا شبکه برق ارائه‌دهنده اتصال محکم و ایجادشده‌ای بین هادی خنثی و زمین دارد.

با این حال، هنگامی که مهندسان یک کارگاه خارج از شبکه، یک وسیله نقلیه سیار برای خدمات فنی یا یک ایستگاه تولید برق در مناطق دورافتاده راه‌اندازی می‌کنند، سیستم باید یک مرجع زمین‌کردن خود را ایجاد نماید. در این محیط‌ها، تکنسین‌ها اغلب با مشکلی بسیار گیج‌کننده مواجه می‌شوند: قطع‌کننده‌های جریان نشتی (RCD) در تابلوی توزیع به‌صورت تصادفی قطع می‌شوند یا دقیقاً در لحظه روشن‌شدن هر وسیله برقی، حتی در غیاب هرگونه عیب در سیم‌کشی یا نقص عایق‌بندی، قطع می‌گردند. این مشکل تقریباً همیشه مربوط به نحوه اتصال بین سیم نوترال و زمین (N-G) است.

این مقاله تحلیل فنی از این موضوع را ارائه می‌دهد که چرا اتصال نوترال به زمین (N-G) عامل پنهان قطع شدن قطع‌کننده‌های جریان نشتی (RCD) است و چگونه می‌توان سیستم‌های زمین‌کردن را برای عملیات ایمن و قابل اعتماد خارج از شبکه تنظیم کرد.

سوال: چرا اتصال نوترال به زمین (N-G) باعث قطع شدن قطع‌کننده‌های جریان نشتی (RCD) در نصب‌های کارگاه‌های خارج از شبکه می‌شود و پیکربندی صحیح آن چیست؟

قاطع باقی‌مانده جریان (RCD) در کارگاه‌های بدون اتصال به شبکه، به دلیل عدم وجود اتصال مناسب بین نوترال و زمین (N-G) در منبع تغذیه فعال می‌شود؛ زیرا خروجی AC اینورتر در این حالت به‌صورت سیستمی با نوترال شناور عمل می‌کند. هنگامی که باری به این سیستم متصل می‌شود، این وضعیت شناور، امکان ایجاد چارچوب مرجع جریان صفر را برای RCD از بین می‌برد و منجر به عدم تعادل جریان یا ایجاد مسیرهای نشتی می‌گردد که باعث فعال‌شدن (تریپ شدن) این دستگاه می‌شود. جایگزین دیگر، ایجاد اتصال دوگانه (اتصال نوترال به زمین هم در اینورتر و هم در پنل توزیع) است که مسیر بازگشت موازی جریان را ایجاد کرده و جریان نوترال را تقسیم می‌کند؛ این امر باعث عبور جریان از سیم زمین و فعال‌شدن فوری RCD می‌گردد. برای رفع این مشکل، مهندسان باید یک نقطه اتصال N-G تکی و پویا را با استفاده از رله‌های تماس خشک خودکار موجود در اینورترهای JYINS پیاده‌سازی کنند.

فیزیک عملکرد قاطع باقی‌مانده جریان (RCD)

برای درک مسئله قطع شدن مدار، ابتدا باید نحوه عملکرد دستگاه محافظ جریان نشتی (RCD) را بررسی کنیم. RCD یک حسگر بسیار حساس جریان تفاضلی است که جریان متناوب عبوری از سیم فاز (L) و جریان بازگشتی از طریق سیم نول (N) را نظارت می‌کند.

در یک مدار تک‌فاز سالم، جریان عبوری از سیم فاز باید دقیقاً برابر با جریان بازگشتی از طریق سیم نول باشد. RCD از یک ترانسفورماتور جریان حلقه‌ای برای مقایسه این دو جریان استفاده می‌کند.

اگر خطا‌ای رخ دهد (مانند آسیب دیدن سیم و تماس آن با پوشش فلزی ابزار)، بخشی از جریان از طریق پوشش فلزی و سیم زمین (سبز) به زمین نشت می‌کند و از سیم نول عبور نمی‌کند. RCD این اختلاف بین جریان‌های فاز و نول را تشخیص می‌دهد. اگر این اختلاف (جریان نشتی باقی‌مانده) از آستانه ایمنی—معمولاً ۳۰ میلی‌آمپر (mA)—فراتر رود، سیم‌پیچ مغناطیسی داخلی RCD تماس‌های مکانیکی آن را قطع می‌کند و برق را در کمتر از ۳۰ میلی‌ثانیه قطع می‌نماید تا از برق‌گرفتگی جلوگیری شود.

معضله نوترال شناور

بیشتر اینورترهای قدرت مستقل از کارخانه با خروجی «نوترال شناور» ارسال می‌شوند. این بدان معناست که مدار خروجی جریان متناوب داخلی به‌طور کامل از بدنه فلزی اینورتر و ترمینال زمین جدا شده است. اگر ولتاژ بین سیم فاز و نوترال را اندازه‌بگیرید، ولتاژ صحیح ۲۳۰ ولت جریان متناوب را مشاهده خواهید کرد. با این حال، اگر ولتاژ بین نوترال و زمین را اندازه‌بگیرید، ولتاژ شناور تصادفی (اغلب حدود ۱۱۵ ولت جریان متناوب) را مشاهده خواهید کرد.

در یک سیستم شناور، اتصال فیزیکی بین نوترال و زمین وجود ندارد. اگر در یک ابزار متصل‌شده عیب عایقی رخ دهد، جریان نمی‌تواند از طریق مسیر زمین به ترمینال نوترال اینورتر بازگردد، زیرا مدار باز است. از آنجا که هیچ جریان نشتی از طریق سیم زمین عبور نمی‌کند، اختلاف جریانی بین هادی‌های فاز و نوترال که از طریق کلید محافظ جریان نشتی (RCD) عبور می‌کنند، ایجاد نمی‌شود. در نتیجه، RCD در صورت وقوع عیب زمین فعال، عمل نخواهد کرد و خطر مرگ‌باری ایجاد می‌شود که در آن پوسته فلزی ابزار همچنان زیر ولتاژ قرار دارد.

برعکس، اگر یک سیستم بدون اتصال به شبکه (off-grid) دارای نوترال شناور باشد و تحت تأثیر جفت‌شدگی ظرفیتی جزئی قرار گیرد (که در مسیرهای کابلی بلند یا موتورهای القایی سنگین رایج است)، RCD ممکن است دچار تغییرات سریع و غیرقابل پیش‌بینی در فاز جریان شود. ترانسفورماتور جریان موجود در RCD این تغییرات فاز را به‌عنوان عدم تعادل تشخیص داده و به‌صورت تصادفی قطع می‌کند. این اولین نوع قطع غیرضروری مرتبط با نوترال-زمین (N-G) است.

تله دوگانه‌بندی

برای رفع مشکل خنثی شناور، برقکاران اغلب یک سیم مسی مستحکم به‌صورت جامپر بین باص خنثی و باص زمین در تابلوی اصلی توزیع کارگاه نصب می‌کنند. این اتصال، اتصال خنثی-زمین (N-G) نامیده می‌شود و شبیه به تنظیمات استاندارد شبکه برق شهری است.

با این حال، هنگامی که اینورتر خارج از شبکه نیز دارای اتصال داخلی خنثی-زمین (N-G) فعال باشد یا هنگامی که کارگاه برای تغییر بین برق اینورتر و منبع خارجی مانند ژنراتور یا اتصال به برق ساحلی (shore-power) پیکربندی شده باشد، تضاد جدی ایجاد می‌شود. این وضعیت منجر به ایجاد سناریوی «اتصال دوگانه» می‌گردد.

در یک سیستم با اتصال دوگانه، دو نقطه فیزیکی وجود دارد که در آن‌ها سیم خنثی به زمین متصل شده است: یکی در اینورتر/منبع و دیگری در تابلوی توزیع. هنگام روشن شدن یک وسیله برقی، جریان بازگشتی از طریق سیم خنثی AC به باص خنثی تابلوی توزیع جریان می‌یابد. در این باص، جریان دو مسیر موازی برای بازگشت به ترمینال خنثی اینورتر می‌بیند:

• مسیر الف: سیم خنثی AC اختصاصی.
• مسیر ب: سیم زمین و لوله‌های فلزی.

از آنجا که جریان به نسبت مقاومت مسیرهای موازی تقسیم می‌شود، بخش قابل توجهی از جریان اسمی کارکرد (که می‌تواند چند آمپر باشد) از طریق سیم زمین به جای سیم نول عبور می‌کند.

از آنجا که جریان بازگشتی از طریق سیم نول اکنون به‌طور قابل توجهی کمتر از جریان خروجی از طریق سیم فاز است، دستگاه محافظ جریان نشتی (RCD) در تابلوی توزیع بلافاصله عدم تعادل شدید جریان را تشخیص می‌دهد (که به‌مراتب از آستانهٔ ۳۰ میلی‌آمپر فراتر می‌رود) و در لحظهٔ روشن شدن بار، قطع می‌کند. این دومین نوع قطع‌شدن مرتبط با نول-زمین است.

راه‌حل‌های عملی زمین‌کردن برای سیستم‌های بدون اتصال به شبکه

برای اطمینان از ایمنی الکتریکی و عملکرد قابل اعتماد دستگاه محافظ جریان نشتی (RCD)، مهندسان باید از قاعدهٔ اتصال تک‌نقطه‌ای پیروی کنند: در هر زمان معین، دقیقاً یک اتصال بین نول و زمین در سیستم فعال باید وجود داشته باشد و این اتصال باید در منبع تغذیهٔ فعال قرار گرفته باشد.

برای دستیابی به این هدف در کاربردهای پویای B2B بدون اتصال به شبکه، ادغام‌کنندگان سیستم‌ها باید از استراتژی‌های زیر استفاده کنند:

• ۱. نصب رله‌های پویاى خنثی-زمین

اینورترهای باکیفیت بالا برای کار در شبکه‌های بدون اتصال به شبکه اصلی، مانند سری قابل برنامه‌ریزی JYINS، با یک رله خنثی-زمین داخلی و خودکار طراحی شده‌اند.

• هنگامی که اینورتر در حالت تغذیه مستقل از باتری کار می‌کند، رله داخلی به‌صورت خودکار بسته می‌شود و اتصال محکمی بین خنثی و زمین (N-G) درون اینورتر ایجاد می‌کند. این امر تضمین می‌کند که دستگاه قطع‌کننده جریان نشتی (RCD) در تابلوی کارگاه دارای مرجع زمین محکمی است و در صورت وقوع خطای واقعی زمین، به‌درستی فعال می‌شود.
• هنگامی که سیستم به حالت دور زدن (بای‌پس) تغییر می‌کند (برای مثال هنگام راه‌اندازی ژنراتور دیزلی پشتیبان یا اتصال به شبکه برق اصلی)، رله داخلی اینورتر بلافاصله اتصال N-G خود را قطع می‌کند. این امر به این دلیل انجام می‌شود که ژنراتور یا شبکه برق اصلی از پیش دارای اتصال N-G خود هستند. با قطع این اتصال داخلی، اینورتر JYINS از ایجاد تداخل ناشی از دو اتصال موازی N-G جلوگیری می‌کند و اطمینان حاصل می‌شود که دستگاه قطع‌کننده جریان نشتی (RCD) در طول انتقال به حالت بای‌پس فعال نمی‌شود.
• ۲. اجرای توپولوژی مناسب اتصال به زمین سیستم

مطمئن شوید که تمام شاسی‌های تجهیزات فلزی، رک‌های نصب پنل‌های خورشیدی (PV)، محفظه باتری و ترمینال‌های اتصال به زمین (Ground) اینورتر به یک باسبار زمینی واحد با هدایت الکتریکی بالا متصل شده‌اند. این باسبار باید به یک الکترود زمینی (میله زمینی) که فیزیکی در زمین نصب شده است، متصل گردد و مقاومت زمین اندازه‌گیری‌شده آن کمتر از ۲۵ اهم باشد (ترجیحاً کمتر از ۱۰ اهم).

• ۳. بررسی محل نصب RCD

همیشه RCD را در جهت جریان پس از نقطه اتصال واحد نول-زمین (N-G) نصب کنید. اگر RCD در جهت جریان قبل از نقطه اتصال نول-زمین نصب شود، به‌طور مداوم قطع می‌شود، زیرا جریان اتصال نول-زمین از ترانسفورمر حس‌کننده RCD عبور نمی‌کند.

نتیجه‌گیری

اتصال خنثی به زمین (N-G) یک نیاز الکتریکی اساسی برای ایمنی است، اما تنظیم نادرست آن عامل پنهان اصلی قطع‌شدن مysterious RCD در کارگاه‌های بدون اتصال به شبکه است. سیستم خنثی شناور، محافظت RCD را غیرفعال می‌کند، در حالی که اتصال دوگانه باعث تقسیم جریان خنثی از طریق سیم‌های اتصال به زمین شده و منجر به قطع‌شدن فوری و غیرضروری RCD می‌گردد. با اعمال قاعده اتصال تک‌نقطه‌ای و استفاده از اینورترهای پیشرفته JYINS مجهز به رله‌های اتوماتیک اتصال خنثی به زمین، ادغام‌کنندگان سیستم‌ها می‌توانند اطمینان حاصل کنند که محافظت ایمنی کاملاً مطابق با استانداردها است و قطع‌شدن غیرضروری RCD را در هر محیط صنعتی بدون اتصال به شبکه یا موبایل به‌طور کامل از بین ببرند.