در سیستم‌های پشتیبان برق (UPS و ژنراتور) طراحی صحیح ارتینگ (earthing/grounding) نقش حیاتی در ایمنی پرسنل، حفاظت تجهیزات و کاهش اثرات خطاهای زمین‌سازی (ground faults) دارد. در این مقاله به‌صورت علمی و عملی بررسی می‌کنیم که ارتینگ UPS و ارتینگ ژنراتور چه تفاوت‌هایی دارند، چگونه باید برای سیستم‌های پشتیبان برق طراحی شوند و چه استانداردها و روش‌های آزمون/نگهداری باید رعایت شود. 

چرا «ارتینگ برای سیستم‌های UPS و ژنراتور» مهم است؟

•  اتصال مناسب به زمین از خطر شوک الکتریکی و ایجاد اختلاف پتانسیل جلوگیری می‌کند.
•  طراحی ارتینگ روی عملکرد حفاظت‌های قطعی، کارایی سیستم ارت و بازگشت جریان خطا تاثیر مستقیم دارد.
•  در سیستم‌های ترکیبی (مبدل‌های UPS، باتری‌ها، ژنراتور و شبکه) عدم تطابق استراتژی ارت می‌تواند باعث تداخل الکترومغناطیسی و خطاهای حفاظت شود.  

تفاوت ارتینگ UPS و ارتینگ ژنراتور

1- ماهیت منبع و وضعیت نوترال (Neutral):

• UPS (به‌خصوص UPS های آنلاین) معمولاً بین ورودی شبکه، مبدل‌ (inverter) و باتری‌ها، مسیرهای تبدیل و ایزولاسیون‌هایی دارد که روی نحوه اتصال زمین تاثیر می‌گذارد. در بسیاری از طراحی‌ها، نیاز به حفظ یک مرجع نوترال ثابت (single point grounding) برای جلوگیری از اختلاف پتانسیل و جریان‌های نشتی مهم است.
• ژنراتور معمولاً دارای ترمینال نوترال است که بسته به طراحی یا به زمین متصل (solid/low-resistance) یا از طریق مقاومت/امپدانس (resistance/impedance grounding) اتخاذ می‌شود. این انتخاب روی مقدار جریان خطا و حفاظت استاتور/روتور تأثیر می‌گذارد.  

2-هدف طراحی ارتینگ:

• برای UPS هدف غالباً تضمین عملکرد صحیح سیستم‌های حفاظتی، حداقل کردن جریان‌های نشتی و تداخل با تجهیزات حساس الکترونیکی است.
• برای ژنراتور علاوه بر ایمنی، حفاظت از سیم‌پیچی استاتور و روتر و جلوگیری از آسیب در اثر زمین‌شدن ناگهانی (stator ground fault) و مدیریت جریان خطا اهمیت دارد.  

3-کنترل جریان زمین (fault current):

• UPS عمومیتم جریان خطا را مستقیم از شبکه یا از باتری/اینورتر مدیریت می‌کند و طراحی ارت باید جریان نشتی و هارمونیک را در نظر بگیرد.
• ژنراتور ممکن است نیاز به خنثی‌کردن (neutral grounding) با مقاومت یا اتصال مستقیم داشته باشد تا جریان‌های خطای زمین کنترل و حفاظت صورت گیرد.  

اصول طراحی ارتینگ برای سیستم‌های پشتیبان برق (راهنمای مرحله‌به‌مرحله)

در طراحی عملی، همیشه به استانداردها و گزارش‌های آزمایشی محلی/ملی رجوع کنید. در ادامه اصولی که از مقالات و توصیه‌های فنی استخراج شده آمده است:

1- انتخاب نوع سیستم ارت (TN, TT, IT و غیره)

بسته به نیاز ایمنی، حساسیت بارها (مانند دیتاسنترها) و مقررات محلی، نوع سیستم انتخاب می‌شود. برای مثال سیستم‌های IT در محیط‌هایی با حساسیت بالا (مانند برخی بخش‌های بیمارستان) ترجیح داده می‌شوند.  

2- یکپارچگی اتصال زمین (Equipotential bonding / single point grounding)

برای جلوگیری از اختلاف پتانسیل در زمان سوئیچ بین شبکه و ژنراتور یا هنگام کار UPS، لازم است یک استراتژی اتصال زمین واحد و کنترل‌شده به‌کار رود (single point یا معین‌شده مطابق BS/IEEE). این نکته به‌ویژه در انتقال بین حالت شبکه و حالت ژنراتور اهمیت دارد.  

3- انتخاب و طراحی الکترود زمین (rod, mesh, mat)

با توجه به خاک (resistivity)، محاسبات عددی و مدل‌سازی باید تعیین شود که از شبکه مفتولی (grid/mesh) استفاده شود یا الکترودهای عمودی. هدف رسیدن به مقاومت زمین مناسب و نیز کنترل ولتاژ لمسی و گامی (touch & step voltage) است. استفاده از مدلسازی عددی و ابزارهای نرم‌افزاری توصیه می‌شود.  

4- خنثی‌سازی ژنراتور (neutral grounding) و انتخاب روش مناسب

برای ژنراتورهای اضطراری، گزینه‌ها شامل اتصال مستقیم (solid), اتصال از طریق مقاومت (resistance grounding) یا اتصال هوشمند (high-resistance grounding) است. انتخاب بستگی به: ظرفیت خطا، نیاز به قطع‌کردن و حفاظت استاتور، و تأثیر بر سیستم‌های موازی دارد. منابع صنعتی (Cummins، SEL) روش‌های عملی را تشریح کرده‌اند. 

5- کاهش جریان نشتی و مدیریت هارمونیک (برای UPS)

UPSها (به‌ویژه با فیلترها و فازورها) می‌توانند جریان‌های نشتی و هارمونیک تولید کنند که بر اندازه‌گیری مقاومت زمین و عملکرد حفاظتی تأثیر می‌گذارد؛ طراحی باید تمهیدات جداکننده، فیلترینگ یا مسیرهای بازگشت مناسب داشته باشد.  

6- محافظت‌ و سیستم‌های تشخیص خطا (ground fault detection)

سناریوهای مربوط به تشخیص خطای زمین در ژنراتور (stator ground fault) با سنسورهای‌ جریان، ZCT و حفاظت ثانویه باید پیش‌بینی شوند.

7- آزمون، اندازه‌گیری و نگهداری دوره‌ای

اندازه‌گیری مقاومت زمین، بررسی تماس‌های باندینگ، تست GPR و ثبت رویدادهای خطا بخش‌های لازم طراحی هستند. استانداردهای IEEE راهنمای روش‌های اندازه‌گیری و پیاده‌سازی را ارائه می‌دهند.  

برای دریافت قیمت لوازم چاه ارت با ما تماس بگیرید.

نمونه‌هایی از پیکربندی‌های معمول

• UPS در یک دیتاسنتر: اتصال equipotential بین رک‌ها، شبکه‌ی زمین مستقل به زمین اصلی سایت، مراقبت از مسیر بازگشت جریان، و محدود کردن تماس بین سیستم باتری و زمین برای جلوگیری از ایجاد اختلاف پتانسیل.  
• ژنراتور اضطراری تک‌موردی (standby): اتصال نوترال ژنراتور به زمین از طریق مقاومت به‌منظور محدود کردن جریان زمین اولیه؛ یا اتصال مستقیم در مواردی که سیستم حفاظت سریع‌تر و robust‌تری لازم است. 

نکات اجرایی و «چک‌لیست» سریع قبل از نصب نهایی

•  اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک (Wenner test) و انتخاب نوع الکترود.  
•  تطبیق استراتژی نوترال ژنراتور با نیاز قطع/حفاظت سایت (solid vs resistance grounded).  
• تعریف روش انتقال زمین/نوترال هنگام سوئیچ بین برق شبکه، UPS و ژنراتور (برای جلوگیری از جابجایی پتانسیل).  
• در نظر گرفتن تاثیر هارمونیک و جریان‌های نشتی UPS در اندازه‌گیری مقاومت زمین و طراحی مسیرهای بازگشت.  
• برنامه تست و نگهداری دوره‌ای، از جمله تست مقاومت زمین و آزمون‌های حفاظت ژنراتور/استاتور.  

پرسش‌های متداول در مورد ارتینگ برای سیستم های UPS و ژنراتور

آیا می‌توان UPS و ژنراتور را به یک ارت مشترک متصل کرد؟

بله، اما باید استراتژی اتصال زمین و نوترال مشخص و کنترل‌شده باشد تا در هنگام انتقال بار بین منابع اختلاف پتانسیل ایجاد نشود. معمولاً طراحی یک نقطه مرجع (single point grounding) یا ساختار معین‌شده طبق استانداردها اجرا می‌شود.  

آیا همیشه باید نوترال ژنراتور را به زمین وصل کرد؟

خیر، بسته به نیاز حفاظت و نوع ژنراتور، ممکن است از اتصال مستقیم، اتصال از طریق مقاومت یا حتی سیستم‌های با نوترال ایزوله استفاده شود. انتخاب بر اساس ریسک، اندازه جریان خطا و توصیه‌های سازنده و استانداردها انجام می‌شود.  

در نهایت برای ارتینگ UPS و ارتینگ ژنراتور چه کنیم؟

طراحی ارتینگ برای سیستم‌های UPS و ژنراتور باید بر پایهٔ اصول علمی، محاسبات مهندسی و استانداردهای بین‌المللی انجام شود. تفاوت‌های عملکردی UPS و ژنراتور از منظر وضعیت نوترال، کنترل جریان خطا و تأثیر بر سیستم حفاظتی ایجاب می‌کند که هر پروژه با مطالعهٔ خاک، محاسبهٔ شبکهٔ الکترود، و تعیین روش نوترال‌سازی (برای ژنراتور) و استراتژی equipotential (برای UPS) طراحی شود. استفاده از مطالعات و راهنمایی‌های IEEE، مقالات تخصصی و تجربیات صنعتی باعث کاهش ریسک و افزایش پایداری سیستم‌های پشتیبان برق می‌گردد.  

منابع:

• hibp.ecse.rpi.edu
• researchgate.net
• mart.cummins.com
• selinc.com
• electrical.theiet.org