چرا سایز سیم زم کوچکتر از سیم فاز است
تعیین اندازه سیم زمین
اندازه سیم زمین لزوماً با اندازه سیم تغذیه (فاز یا داغ) مطابقت ندارد. اما، ابعاد آن باید به طور دقیق به مقررات موجود در کدهای الکتریکی، مانند کد الکتریکی ملی (NEC) در ایالات متحده، پایبند باشد. چند عامل کلیدی تأثیرگذار بر تعیین اندازه مناسب سیمهای زمین وجود دارد:
با اینکه این امر رایج نیست، در موقعیتهایی که شامل خطوط سیم بلند یا مدارهایی است که کاهش امپدانس حیاتی است، ممکن است نیاز به افزایش اندازه سیم زمین باشد. این به دلیل این است که سیم زمین بلند میتواند یک کاهش ولتاژ قابل توجه داشته باشد که به نوبه خود مقاومت مسیر زمینسازی را افزایش میدهد. برای رفع این مشکل و تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم الکتریکی، ممکن است سیم زمین به اندازه همانند سیم فاز تنظیم شود.
در نصبهای الکتریکی خاص، مهندسان ممکن است تصمیم بگیرند که سیم زمین را همان اندازه سیم فاز در نظر بگیرند به عنوان یک تدابیر ایمنی اضافی. این عمل در سیستمهای حیاتی که شکستهای الکتریکی میتوانند پیامدهای جدی داشته باشند یا در مناطقی که کدهای محلی الکتریکی مقررات بیشتری دارند، بسیار رایج است. با استفاده از سیم زمین با اندازه بزرگتر، سیستم میتواند بهتر با جریانهای خطا مقابله کند و خطر صدمات الکتریکی و آسیب به تجهیزات را کاهش دهد.
درک اندازهگیری سیم زمین در مدارهای الکتریکی
وقتی سیم زمین کوچکتر از سیم تغذیه است
در بسیاری از مدارهای الکتریکی، سیم زمین (یا زمینسازی) معمولاً از نظر اندازه کوچکتر از سیمهای فاز (داغ) و نیوترال است و این انتخاب طراحی بر اساس چند عامل کلیدی است:
وظیفه هر نوع سیم
سیم فاز: این سیم مسئول حمل جریان کامل بار در حالت عادی مدار است. این سیم انرژی الکتریکی را به دستگاهها و وسایل متصل شده تأمین میکند.
سیم نیوترال: این سیم به عنوان مسیر بازگشت جریان عمل میکند و جریان همان مقداری را که سیم فاز حمل میکند به منبع تغذیه برمیگرداند.
سیم زمین: وظیفه اصلی آن ارائه یک مسیر ایمن برای جریانهای خطا، مانند آنهایی که در حین کوتاه شدن مدار یا نشتی الکتریکی ایجاد میشوند، است. با تغییر این جریانهای غیرعادی، این سیم تجهیزات را محافظت میکند و از صدمات الکتریکی به شخصیل حفاظت میکند. مهم است که سیم زمین در عملکرد معمولی مدار در حمل جریان شرکت نمیکند.
نیازمندیهای حمل جریان
چون سیم زمین فقط در شرایط خطا جریان را منتقل میکند، نیازی به تحمل جریانهای بار پیوسته مانند سیم فاز ندارد. جریانهای خطا معمولاً برای مدت کوتاهی جریان دارند، معمولاً فقط تا زمانی که یک دستگاه حفاظت از جریان بیش از حد، مانند برش کننده مدار یا گرمکن، مدار را قطع کند. بنابراین، سیم زمین میتواند به اندازهای تنظیم شود که قادر به تحمل این افزایشهای کوتاهمدت بدون گرم شدن باشد. طراحی آن به او اجازه میدهد تا جریانهای خطا را برای مدت کافی برای قطع مدار توسط دستگاههای حفاظتی حمل کند و مدت کوتاه خطا خطر افزایش گرمای زیاد را کاهش میدهد. این امر امکان استفاده از سیم با اندازه کوچکتر را فراهم میکند که هزینه و مصرف مواد را کاهش میدهد در حالی که هنوز استانداردهای ایمنی و عملکرد ضروری را برآورده میکند. افزایش بیش از حد اندازه سیم زمین هزینههای غیرضروری را ایجاد میکند بدون ارائه مزایای ایمنی قابل توجه.
اعتبارات کاهش ولتاژ
کاهش ولتاژ در طراحی سیمهای زمین یک نگرانی اصلی نیست زیرا آنها به طور مداوم جریان را نمیحملند. علاوه بر این، سیمهای زمین معمولاً در طولهای کوتاه نصب میشوند. این طول کوتاه اجازه میدهد تا جریانهای خطا به سرعت به زمین منتقل شوند و برش کننده مدار را فعال کند بدون اینکه سیم گرم شود. بنابراین، میتوان از سیم زمین با اندازه کوچکتر استفاده کرد بدون آنکه عملکرد مدار تحت تأثیر قرار گیرد.
استانداردهای اندازهگیری مبتنی بر کد
کد الکتریکی ملی (NEC): NEC دستورالعملهای دقیقی در جدول 250.122 ارائه میدهد که اندازه حداقل رساننده زمین (EGC) را مشخص میکند. این الزامات بر اساس رتبه دستگاه حفاظت از جریان بیش از حد، مانند برش کننده مدار یا گرمکن، که مدار را محافظت میکند، است.
کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیک (IEC): مشابه NEC، استانداردهای IEC اندازه حداقل رسانندههای زمین را تعریف میکنند. با این حال، دستورالعملهای IEC معمولاً عواملی مانند اندازه سیمهای فاز و جریان خطا ماکسیمم مورد انتظار را در نظر میگیرند. این کدها اطمینان میدهند که سیمهای زمین به اندازه مناسب تنظیم شوند - نه کوچکتر از حدی که میتواند در مواقع خطا شکست بخورد و نه بزرگتر از حدی که میتواند تلف شود.
نمونههای عملی
برای مداری که با برش کننده 15 آمپری محافظت میشود، سیم داغ معمولاً #12 AWG است و سیم زمین باید حداقل #14 AWG مس باشد.
با برش کننده 20 آمپری، سیم داغ 10 AWG است و سیم زمین باید حداقل #12 AWG مس باشد.
در مورد برش کننده 50 آمپری، سیم داغ # 6 AWG است و اندازه حداقل سیم زمین 10 AWG مس است.
برای برش کننده و پنل 100 آمپری که کابل خدمات #4 AWG است، سیم زمین باید حداقل #8 AWG مس باشد.
برای خدمات 200 آمپری، سیمهای داغ حداقل #3/0 AWG هستند و سیم زمین باید # 4 AWG باشد.
مدارهایی با برش کنندههای بسیار بزرگ، مانند آنهایی که با 600 آمپر رتبهبندی شدهاند، نیاز به سیمهای زمین با اندازهای که متناسب با توانایی تحمل جریانهای خطا باشند دارند.
در حالی که سیم زمین در اکثر موارد کوچکتر از سیم فاز است، استثناءهایی وجود دارد.
وقتی سیم زمین همان اندازه سیم تغذیه است
موقعیتهای خاصی وجود دارد که سیم زمین باید همان اندازه سیم تغذیه باشد:
رسانندههای پیوندی
هنگامی که سیمهای زمین برای اتصالات پیوندی، مانند اتصال بخشهای فلزی تجهیزات الکتریکی به سیستم زمینسازی، استفاده میشوند، ممکن است نیاز به همان اندازه سیم تغذیه داشته باشند. این امر اطمینان میدهد که آنها قادر به حمل مؤثر جریانهای خطا و حفظ تمامیت اتصال پیوندی هستند و محافظت قابل اعتماد علیه خطرات الکتریکی ارائه میکنند.
رسانندههای با اندازه بزرگ
برای مدارهایی که از رسانندههای با اندازه بزرگ (مثلاً 3/0 AWG یا بزرگتر) استفاده میکنند، NEC الزامات بزرگتری برای سیمهای زمین تعیین میکند. این برای اطمینان از اینکه سیستم زمینسازی قادر به تحمل جریانهای خطا بالا مرتبط با مدارهای با ظرفیت بزرگ است و ایمنی نصب الکتریکی را حفظ میکند.
کاربردهای تجهیزات خاص
نوع خاصی از تجهیزات حساس یا با ظرفیت بالا، مانند نصبهای فتوولتائیک (PV)، ممکن است نیاز به سیمهای زمین با اندازهای که متناسب با سیمهای فاز باشد داشته باشد. این اندازهگیری برای تضمین جریان مؤثر خطا و کاهش امپدانس، به منظور بهبود کلی ایمنی و عملکرد تجهیزات و سیستم الکتریکی ضروری است.
پیامدهای اندازهگیری نادرست سیم زمین
سیم زمین در یک سیستم الکتریکی همیشه با اندازه سیم داغ یا نیوترال مطابقت ندارد؛ میتواند کمی بزرگتر یا کوچکتر باشد. وقتی از سیم زمین بزرگتر استفاده میشود، در حالی که خطری برای سیستم الکتریکی ایجاد نمیکند، هزینههای بیشتری به دلیل مصرف مواد اضافی دارد. در موقعیتهایی که نیاز به طول اضافی است، میتوان از جعبه اتصال برای تمدید سیم استفاده کرد بدون اینکه تمامیت سیستم زمینسازی را تضعیف کند.
در واقع، سیم زمین بزرگتر مزایایی دارد و میتواند در سناریوهای خاصی مفید باشد. با مقاومت کمتر، سیمهای بزرگتر به طور مؤثر کاهش ولتاژ را کاهش میدهند و اتصال الکتریکی پایدارتری را تضمین میکنند. این به ویژه در سیستمهایی که ظرفیت حمل جریان بالاتری نیاز دارند، بسیار مهم است. با کاهش افت ولتاژ، سیم زمین بزرگتر عملکرد الکتریکی را ثابت نگه میدارد و ایمنی و قابلیت اطمینان کلی سیستم را بهبود میبخشد.
به طور معکوس، استفاده از سیم زمین کوچکتر میتواند منجر به مشکلات جدی شود. سیمهای کوچکتر مقاومت الکتریکی بالاتری دارند که میتواند با عملکرد مکانیسم قطع مغناطیسی برش کننده مدار تداخل کند. این تداخل به این معناست که برش کننده ممکن است در حین خطا به سرعت کافی قطع نشود و اجازه میدهد تا سطوح خطرناکی از جریان از سیستم عبور کند. علاوه بر این، سیمهای زمین کوچکتر ممکن است قادر به تحمل جریانهای خطا بیش از حد نباشند که میتواند منجر به گرم شدن شود. در موارد شدید، این گرم شدن میتواند سیم را ذوب کند و خطر قابل توجهی از آتشسوزی ایجاد کند و میتواند خطری برای مالکیت و ارواح باشد.
برای تضمین ایمنی و عملکرد بهینه سیستم الکتریکی، استفاده از سیم زمین با اندازه مناسب ضروری است. به عنوان مثال، در یک سرویس 100 آمپری استاندارد با طول 150 فوت، معمولاً سیم زمین 8 AWG (AWG آمریکایی) توصیه میشود. رعایت این دستورالعملهای اندازهگیری به محافظت از خطرات الکتریکی کمک میکند و اطمینان میدهد که سیستم زمینسازی به طور مؤثر عمل میکند و محافظت قابل اعتمادی در حین خطا ارائه میکند.
