سیم ارت یک هادی محافظ است که برای جلوگیری از شوک الکتریکی و/یا آتش‌سوزی در سیستم تعبیه می‌شود.

ارت در برخی از کشورها به عنوان «زمین» نیز شناخته می‌شود. منبع تغذیه ترانسفورماتور خانه شما به صورت فاز تقسیم شده است و در برخی کشورها مانند ایالات متحده، ٢ نقطه اضافی علاوه بر یک نول ارائه می‌شود.

وسایل برقی کمتری بین فازها و نول متصل می‌شوند و این اختلاف فاز و نول منبع تغذیه ۲۳۰ ولت را به مصرف‌کننده می‌دهد.

ولتاژ بین دو فاز ۳۸۰ ولت بوده و برای تأمین لوازم خانگی با توان الکتریکی بیشتر است و منبع تغذیه خانه‌های ما جریان متناوب (AC) است.

بنابراین در حالی که ما تمایل داریم به جریان خروجی از سیم فاز به دستگاه و بازگشت از طریق سیم نول فکر کنیم، جریان در واقع از هر دو جهت جریان می‌یابد.

در نیمی از چیزی که به عنوان «چرخه» شناخته می‌شود، جریان از فاز خارج شده و از سیم نول به منبع برمی‌گردد.

در طول نیم‌چرخه دوم، روند معکوس می‌شود و جریان از طریق نول به دستگاه وارد می‌شود و از طریق فاز برمی‌گردد.

شکل موج ولتاژ DC در طول زمان ثابت است.

ولتاژ و جریان AC با سرعتی که فرکانس تعیین می‌کند تغییر جهت می‌دهد.

این مقدار در ایرن ۵۰ بار در ثانیه یا ۵۰ هرتز است. به هر تکرار شکل موج، چرخه می‌گویند.

سیم ارت چیست؟

کیبل ثابت منعطفی که الکتریسیته لوازم اغلب فلزی را تأمین می‌کند، علاوه بر فاز و نول، شامل یک هادی زمینی (در ایالات متحده سبز رنگ یا در اتحادیه اروپا سبز/زرد) است در داخل وسیله برقی، هسته سیم ارتِ کیبل به بدنه بیرونی دستگاه متصل می‌شود.

اتصال ممکن است با استفاده از یک ترمینال سوکتی یا یک پیچ و مهره یا هر اتصال مجاز دیگری انجام شود.

البته از برخی اتصالات، مانند چنگکی‌ها، برای جلوگیری از جدا شدن اتصال زمین و اتصال آن به بخش‌های دیگر استفاده نمی‌شود.

وسایل ثابت (به عنوان مثال هیتر یا وسایل آشپزخانه) و وسایل قابل حمل که در استفاده معمولی می‌توان آن‌ها را لمس کرد، باید زمین شوند و برای آن‌ها سیم ارت تعبیه کرد.

سیم ارت، در صورت رخ دادن خطا و خرابی، به عنوان «بای‌پس» جریان عمل می‌کند.

این خطا می‌تواند ناشی از موارد زیر باشد:

هادی‌ها (مانند سیم ها و قطعات)، در حالت عبور جریان، خم می‌شوند یا جدا می‌شوند و به بدنه دستگاه اتصال می‌کنند.

خرابی عایق به عنوان مثال، عایق روی هسته‌های انعطاف‌پذیر کابل انتقال جریان ممکن است در داخل دستگاه آسیب ببیند یا جداکننده‌های عایق ممکن است از بین بروند.

همچنین قطعات فلزی مانند پیچ یا مهره‌هایی که باز شده‌اند می‌توانند در فاصله بین قسمت برق‌دار و قسمت فلزی بی‌برق قرار گیرند.

اگر یک دستگاه بدون سیم ارت باشد چه اتفاقی می‌افتد؟

در صورت بروز خطا، فلز خارجی دستگاه برق‌دار می‌شود و بسته به اینکه شخص با کدام قسمت از مدار داخلی و بدنه تماس داشته باشد، اندازه ولتاژ یک فرد ایستاده نسبت به زمین تا ۲۳۰ ولت خواهد بود.

اگر فلز زمین نباشد و شخصی دستگاه را لمس کند، جریان از بدن به زمین منتقل می‌شود.

اگر فرد خوش‌شانس بوده و کفش‌ لاستیکی پوشیده باشد و روی زمین خشک ایستاده باشد، ممکن است فقط احساس سوزن سوزن شدن را تجربه کند.

با این حال، اگر هوا مرطوب باشد، دستان او خیس باشد و در خارج از منزل ایستاده باشد، به احتمال زیاد دچار شوک شدید می‌شود.

اگر یک دست دستگاه و دست دیگر یک شیء زمین‌شده (مانند لوله، تیرها، شوفاژ یا هر چیز دیگر) را لمس کند، جریان از قلب می‌گذرد و سناریوی خطرناک‌تری رخ می‌دهد. اگر فرد بدشانس باشد یا بیماری قلبی داشته باشد، این جریان می‌تواند منجر به مرگ او شود.چرا جریان به زمین می‌رود؟

دلیل اینکه جریان به زمین می‌رود این است که نقطه نول (خنثی) ترانسفورماتور تغذیه از طریق هادی زمین به الکترود زمین متصل می‌شود.

این امر پتانسیل هادی فاز را نسبت به سطح زمین به حدود ۲۳۰ ولت افزایش می‌دهد. در هنگام خرابی، یا در صورت لمس هادی فاز، جریان از طریق رساناهای زمین عبور می‌کند و قسمت عمده‌ای از زمین فیزیکی (یعنی خاک) به ترانسفورماتور برمی‌گردد.

جدا کردن ترانسفورماتورهای ایمنی، که گاهی اوقات برای تأمین نیرو در ابزارهای ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند، نول را از زمین جدا می‌کنند تا در صورت بروز خطا، جریان نتواند (یا حداقل بسیار کم) جریان یابد.

این ترانسفورماتورها در کشورهایی که ٢٣٠ ولت ولتاژ استاندارد تغذیه است، ولتاژ را به ١١٠ ولت تبدیل می‌کنند.

اگر فردی شوکی بین فاز و نول تجربه کند، ترانس جریان را به سطح ایمن‌تری کاهش می‌یابد.

چرا ترانسفورماتور تغذیه زمین می‌شود؟

زمین کردن نولِ ترانسفورماتور تغذیه یک اقدام ایمنی است که برای از بین بردن افزایش خطرناک پتانسیل (بیشتر از ولتاژ فاز) روی رساناهای فاز یا نول که وارد خانه می‌شوند انجام می‌شود.

افزایش ولتاژ می‌تواند به عنوان مثال در صورتی رخ دهد که یک خط برق ولتاژ بسیار بالا (احتمالاً صدها کیلوولت) شکسته و روی یک خط فشار ضعیف (۲۳۰ ولت) بیفتد.

سناریوی دیگر عایق بین اولیه و ثانویه ترانسفورماتور است که شکسته می‌شود.

این امر می‌تواند سبب شود ولتاژ اولیه (بزرگ‌تر از ١٠ کیلو ولت) روی ثانویه ظاهر شود.

یک احتمال دیگر، برخورد صاعقه به خطوط است. بار استاتیک همچنین می‌تواند باعث ایجاد ولتاژ در خطوط شود.

اساساً، زمین نول ولتاژ خط را پایین می‌آورد، به طوری که نول نزدیک به پتانسیل زمینی است که ما روی آن ایستاده‌ایم و ولتاژ در هر یک از خطوط فاز تا حد زیادی از ۲۳۰ ولت تجاوز نمی‌کند.

شکل مسیر جریان را در هنگامی نشان می‌دهد که شخصی به یک دستگاه معیوب زمین‌نشده دست می‌زند.

سیم ارت چگونه مشکل را حل می‌کند؟

اتصال سیستم زمین موجب می‌شود به جای عبور جریان از بدن شخصی که به دستگاهی دست می‌زند، یک بای‌پس یا میانبر ایجاد شود که از طریق آن جریان عبور کند، سیم‌هایی به نام «هادی‌های زمین کردن تجهیزات» (Equipment Grounding Conductors) یا EGC از تابلو برق از طریق سیم‌کشی ثابت به تمام پریزهای برق، لوازم ثابت مانند آبگرمکن، کلیدهای روشنایی و... در خانه منتقل می‌شوند.

در مورد یک دستگاه قابل حمل که با دوشاخه وصل می‌شود، این مسیر اتصال از پین در دوشاخه به بدنه فلزی دستگاه برقرار می‌شود و در تابلو برق، همه این هادی اصلی اتصال به زمین متصل می شوند.

یک «هادی الکترود زمین» (Grounding Electrode Conductor) یا GEC در خارج از ساختمان به یک الکترود زمین تعبیه شده در خاک متصل می‌شود.

هنگامی که خطایی رخ می‌دهد، جریان از طریق هادی زمین به تابلو برق برمی‌گردد.

اگر از سیستم ارتینگ TNC یا TNCS استفاده شده باشد، تمام نول‌های تابلو به زمین متصل می‌شوند یا نول و زمین می‌توانند در خروجی کنتور تغذیه به هم وصل شوند و بنابراین خطای فاز به زمین در دستگاه به طور موثر تبدیل به یک خطای فاز به نول می‌شود و این عملاً یک اتصال کوتاه است.

در این حالت، اضافه‌جریان رخ می‌دهد و این امر موجب قطع و تریپ فیوز مینیاتوری یا MCB و احتمالاً GFCI (هر کدام که ابتدا عمل می‌کند) و در نتیجه، قطع مدار و ایمن‌سازی می‌شود.

زمین کردن عملکرد مهم دیگری نیز دارد. (در مورد سیستم اتصال زمین TT)، هادی نول در خارج از خانه قطع می‌شود، یا جریان‌های سرگردان نول باعث افزایش خطرناک پتانسیل می‌شوند و ولتاژ تماس بین بدنه دستگاه و ناحیه روی زمین که فرد روی آن ایستاده تا سطح ایمن کاهش می‌یابد.

این به آن دلیل است که امپدانس یک EGC بسیار کمتر از امپدانس معادل خاک بین محل و ترانسفورماتور تغذیه است و از آنجا که دو امپدانس به صورت سری هستند، ولتاژ بسیار کوچکتری از EGC نسبت به ولتاژ کل تغذیه کاهش می‌یابد و بنابراین خطر کم می‌شود.

لوازم برقی با دو عایق و بدون زمین؛

وسایلی مانند سشوار، تلویزیون، لوازم دستی آشپزخانه و... عموماً دارای روکش پلاستیکی هستند.

اگر خطایی در داخل دستگاه اتفاق بیفتد (به عنوان مثال سیم یا قطعه‌ای به قسمت داخلی بدنه برخورد کند)، هیچ خطری وجود ندارد، زیرا بدنه پلاستیکی عایق است که این وسایل دارای سیم ارت نیستند.

برخی از وسایل مانند ابزارهای برقی زمین ندارند و در عوض «عایق دوگانه» دارند.

این بدین معناست که اگرچه پوشش خارجی ابزار یا دستگاه ممکن است فلزی باشد، اما جداسازی کافی فلز خارجی از ولتاژهای بالای داخلی برای جلوگیری از برق‌گرفتگی انجام می‌شود.

وسایل عایق دوگانه در صورت خیس شدن می‌توانند بسیار خطرناک باشند.

این امر به این دلیل است که در صورتی که آب به جداسازی قسمت‌های برق‌دار و روکش برسد، پوسته زمین نیست و می تواند برق‌دار بماند.

همچنین، بعید است که MCB تریپ کند و GFI نیز ممکن است کار نکند.

کلید محافظ جان چیست؟

اینجا GFCI یک قطعه ایمنی و مخفف Ground Fault Circuit Interrupter به معنی متوقف‌کننده مدار در موقع خطای زمین است که به عنوان قطع‌کننده خطای زمین یا کلید محافظ جان (RCD) نیز شناخته می‌شود‌، در اغلب تأسیسات مدرن نصب می‌شود.

این دستگاه جریان خروجی فاز و برگشتی از طریق نول را کنترل می‌کند. این جریان‌ها معمولاً برابر هستند.

اگر جریان به زمین نشت کند، تمام جریان از طریق GFCI بر نمی‌گردد و وسایل الکترونیکی موجود در دستگاه این عدم تعادل را تشخیص می‌دهند و برق را قطع می‌کنند.

جریان تریپ برای GFCI معمولاً ٣٠ میلی‌آمپر است، اما بسته به شرایط می‌تواند بیشتر یا کمتر باشد.

کلید محافظ جان موقعیت‌هایی مانند تماس شخص با هادی فاز، مانند سیم برق آسیب‌دیده با هسته‌های نمایان یا اتصال حوضچه آب روی سینک قرار را کنترل می‌کند.

کلید محافظ جان همچنین به خطاهایی که در بالا توضیح داده شد در صورت تماس فاز با بدنه زمین‌شده دستگاه پاسخ می‌دهد.

یکی دیگر از عملکردهای GFCI جلوگیری از آتش‌سوزی است. وضعیتی را در نظر بگیرید که یک هادی آسیب‌دیده و در معرض تماس با چوب مرطوب یا مشابه آن قرار می‌گیرد.

لوله یا لوله‌کشی در صورت وجود مواد قابل اشتعال در نزدیکی، جرقه ایجاد می‌کند و آتش‌سوزی رخ می‌دهد (با وجود مواردی مثل چوب اره و...) ممکن است جریان برای قطع شدن یک بریکر کافی نباشد، با این حال، جریان نشتی کوچک به زمین توسط GFCI تشخیص داده شده و باعث می‌شود که برق قطع شود.

کلید محافظ جان را می‌توان در تابلو برق نصب کرد. در این موارد، مکان‌هایی به صورت پریز سوکت GFCI در دسترس است.