چرا سایز سیم زمین کوچک‌تر از سیم فاز است

ملاحظات درباره اندازه‌گیری سیم زمین

اندازه سیم زمین لزوماً باید با سیم قدرت (فاز یا داغ) همخوانی نداشته باشد. با این حال، ابعاد آن باید به طور strikt به مقررات موجود در کدهای برق، مانند کد برق ملی (NEC) در ایالات متحده، مطابقت داشته باشد. چند عامل کلیدی تأثیرگذار بر اندازه مناسب سیم‌های زمین وجود دارد:

با اینکه این موضوع رخ داد نادر است، اما در شرایطی که شامل خطوط سیم بلند یا مدارهایی است که کاهش امپدانس حیاتی است، ممکن است نیاز باشد اندازه سیم زمین افزایش یابد. این امر به این دلیل است که یک سیم زمین بلند می‌تواند پرتقال ولتاژ قابل توجهی تجربه کند که به نوبه خود مقاومت مسیر زمین‌سازی را افزایش می‌دهد. برای رفع این مشکل و تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم برق، ممکن است سیم زمین به اندازه همانند سیم فاز تنظیم شود.

در نصب‌های برق خاص، مهندسان ممکن است تصمیم بگیرند سیم زمین را به همان اندازه سیم فاز تنظیم کنند به عنوان یک تدابیر ایمنی اضافی. این عمل در سیستم‌های حیاتی که شکست‌های برق می‌تواند پیامدهای جدی داشته باشد یا در مناطقی که کدهای برق محلی الزامات سخت‌گیرانه‌تری وضع کرده‌اند، بسیار رایج است. با استفاده از یک سیم زمین بزرگ‌تر، سیستم می‌تواند بهتر جریان‌های خطا را مدیریت کند و خطر شوک الکتریکی و خسارت به تجهیزات را کاهش می‌دهد.

درک اندازه‌گیری سیم زمین در مدارهای برق

وقتی سیم زمین کوچک‌تر از سیم قدرت است

در بسیاری از مدارهای برق، سیم زمین (یا زمین‌سازی) معمولاً از نظر اندازه کوچک‌تر از سیم‌های فاز (داغ) و نیوترال است و این انتخاب طراحی بر اساس چندین عامل کلیدی است:

وظیفه هر نوع سیم

• سیم فاز: این سیم مسئول حمل جریان کامل بار در طول عملکرد عادی مدار است. این سیم برق را به دستگاه‌ها و وسایل متصل شده تأمین می‌کند.

• سیم نیوترال: این سیم به عنوان مسیر بازگشت جریان عمل می‌کند و همان مقدار جریان را که سیم فاز حمل می‌کند به منبع برق بازمی‌گرداند.

سیم زمین: وظیفه اصلی آن فراهم کردن یک مسیر ایمن برای جریان‌های خطا، مانند آنهایی که در حالت‌های خرابی کوتاه یا تسربیع الکتریکی ایجاد می‌شوند، است. با هدایت این جریان‌های غیرعادی، این سیم تجهیزات را محافظت می‌کند و افراد را از شوک الکتریکی در امان می‌دارد. مهم است که سیم زمین در عملکرد عادی مدار در حمل جریان شرکت نمی‌کند.

نیازهای حمل جریان

از آنجا که سیم زمین فقط در شرایط خطا جریان را هدایت می‌کند، نیازی به تحمل جریان‌های بار مداوم مانند سیم فاز ندارد. جریان‌های خطا معمولاً برای مدت بسیار کوتاهی جریان دارند، معمولاً فقط تا زمانی که یک دستگاه محافظ جریان بیش از حد، مانند سوئیچ برش یا بیمه، برای قطع مدار عمل می‌کند. بنابراین، می‌توان سیم زمین را به گونه‌ای تنظیم کرد که قادر به تحمل این شوک‌های کوتاه‌مدت باشد بدون اینکه گرم شود. طراحی آن به گونه‌ای است که قادر است جریان‌های خطا را فقط به مدت کافی برای قطع مدار توسط دستگاه‌های محافظ حمل کند و مدت کوتاه خطا خطر گرم شدن قابل توجه را کاهش می‌دهد. این امر امکان استفاده از یک سیم با اندازه کوچک‌تر را فراهم می‌کند که هزینه‌ها و استفاده از مواد را کاهش می‌دهد در حالی که همچنان استانداردهای ضروری ایمنی و عملکرد را برآورده می‌کند. بزرگ کردن سیم زمین هزینه‌های غیرضروری را ایجاد می‌کند بدون ارائه مزایای ایمنی قابل توجه اضافی.

ملاحظات کاهش ولتاژ

کاهش ولتاژ در طراحی سیم‌های زمین یک نگرانی عمده نیست چون آنها به طور مداوم جریان را حمل نمی‌کنند. علاوه بر این، سیم‌های زمین معمولاً در طول‌های نسبتاً کوتاه نصب می‌شوند. این طول کوتاه اجازه می‌دهد تا جریان‌های خطا به سرعت به زمین هدایت شوند و برش‌زننده را به حرکت درآورند بدون اینکه سیم گرم شود. بنابراین، می‌توان از یک سیم زمین با اندازه کوچک‌تر استفاده کرد بدون اینکه عملکرد مدار تضعیف شود.

استانداردهای اندازه‌گیری مبتنی بر کد

کد برق ملی (NEC): NEC رهنمودهای دقیقی در جدول 250.122 ارائه می‌دهد که اندازه حداقل رساننده زمین‌سازی تجهیزات (EGC) را مشخص می‌کند. این الزامات بر اساس رتبه دستگاه محافظ جریان بیش از حد، مانند سوئیچ برش یا بیمه، که مدار را محافظت می‌کند، است.

کمیته بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC): مشابه NEC، استانداردهای IEC اندازه حداقل رساننده‌های زمین‌سازی را تعریف می‌کنند. با این حال، رهنمودهای IEC معمولاً عواملی مانند اندازه سیم‌های فاز و جریان خطا بالقوه حداکثر را در نظر می‌گیرند. این کدها اطمینان می‌دهند که سیم‌های زمین به اندازه مناسب تنظیم شده‌اند - نه خیلی کوچک که ممکن است در مواقع خطا شکست خورند و نه خیلی بزرگ که می‌تواند موجب تلف شدن باشد.

مثال‌های عملی

• برای یک مدار که توسط یک برش‌زننده 15 آمپری محافظت می‌شود، سیم داغ معمولاً #12 AWG است و سیم زمین باید حداقل #14 AWG برنج باشد.

• با یک برش‌زننده 20 آمپری، سیم داغ 10 AWG است و سیم زمین باید حداقل #12 AWG برنج باشد.

• در صورت یک برش‌زننده 50 آمپری، سیم داغ  # 6 AWG است و اندازه حداقل سیم زمین 10 AWG برنج است.

• برای یک برش‌زننده 100 آمپری و پنل، که کابل خدمات #4 AWG است، سیم زمین باید حداقل #8 AWG برنج باشد.

• برای یک سرویس 200 آمپری، سیم‌های داغ حداقل #3/0 AWG هستند و سیم زمین باید # 4 AWG باشد.

• مدارهایی با برش‌زننده‌های بسیار بزرگ، مانند آنهایی که 600 آمپر رتبه دارند، نیاز به سیم‌های زمین با اندازه‌های متناسب برای تحمل جریان‌های خطا بالقوه دارند.

با اینکه سیم زمین در اکثر موارد کوچک‌تر از سیم فاز است، استثناءهایی نیز وجود دارد.

وقتی سیم زمین با اندازه سیم قدرت یکسان است

در سناریوهای خاصی سیم زمین باید همان اندازه سیم قدرت باشد:

رساننده‌های باندینگ

وقتی سیم‌های زمین برای اهداف باندینگ استفاده می‌شوند، مانند اتصال بخش‌های فلزی تجهیزات برق به سیستم زمین‌سازی، ممکن است نیاز باشد که همان اندازه سیم قدرت باشند. این امر اطمینان می‌دهد که آنها قادر به حمل مؤثر جریان‌های خطا و حفظ تمامیت اتصال باندینگ هستند و محافظت قابل اعتمادی علیه خطرات الکتریکی ارائه می‌دهند.

رساننده‌های با اندازه بزرگ

برای مدارهایی که از رساننده‌های با اندازه بزرگ (مثلاً 3/0 AWG یا بزرگ‌تر) استفاده می‌کنند، NEC الزامات سیم‌های زمین بزرگ‌تر را می‌طلبد. این امر برای تضمین اینکه سیستم زمین‌سازی قادر به تحمل جریان‌های خطا بالقوه مرتبط با مدارهای با ظرفیت بالا باشد و ایمنی نصب برق را حفظ کند، ضروری است.

کاربردهای تجهیزات خاص

برخی از تجهیزات حساس یا با ظرفیت بالا، مانند نصب‌های فتوولتائیک (PV)، ممکن است نیاز به سیم‌های زمین با اندازه‌های همانند سیم‌های فاز داشته باشند. این اندازه‌گیری برای تضمین جریان مؤثر خطا و کاهش امپدانس ضروری است، که به نوبه خود عملکرد و ایمنی کلی تجهیزات و سیستم برق را افزایش می‌دهد.

پیامدهای اندازه‌گیری نادرست سیم زمین

سیم زمین در یک سیستم برق همیشه لزوماً با اندازه سیم‌های داغ یا نیوترال همخوانی ندارد؛ می‌تواند کمی بزرگ‌تر یا کوچک‌تر باشد. وقتی از یک سیم زمین بزرگ‌تر استفاده می‌شود، در حالی که خطری برای سیستم برق ندارد، هزینه‌های اضافی به دلیل نیاز به مaterial بیشتر ایجاد می‌کند. در موقعیت‌هایی که نیاز به طول اضافی است، می‌توان از یک جعبه اتصال برای تمدید سیم استفاده کرد بدون اینکه تمامیت سیستم زمین‌سازی تضعیف شود.

در واقع، یک سیم زمین بزرگ‌تر چندین مزیت دارد و می‌تواند در سناریوهای خاصی مفید باشد. با مقاومت کمتر، سیم‌های بزرگ‌تر کاهش ولتاژ را کاهش می‌دهند و اتصال الکتریکی پایدارتری فراهم می‌کنند. این موضوع به ویژه در سیستم‌هایی که ظرفیت حمل جریان بالاتر نیاز دارند، بسیار حیاتی است. با کاهش کمتر ولتاژ، یک سیم زمین بزرگ‌تر به حفظ عملکرد ثابت الکتریکی کمک می‌کند و قابلیت اطمینان و ایمنی کلی سیستم را افزایش می‌دهد.

به عکس، استفاده از یک سیم زمین خیلی کوچک می‌تواند منجر به مشکلات جدی شود. سیم‌های کوچک‌تر دارای مقاومت الکتریکی بالاتری هستند که می‌تواند عملکرد مکانیسم trip مغناطیسی یک برش‌زننده را اختلال دهد. این اختلال به این معنی است که برش‌زننده ممکن است به سرعت کافی در صورت خطا عمل نکند و اجازه می‌دهد تا سطوح خطرناکی از جریان از طریق سیستم جریان یابد. علاوه بر این، سیم‌های زمین کوچک‌تر ممکن است قادر به تحمل جریان‌های خطا بسیار بالا نباشند، که می‌تواند منجر به گرم شدن شود. در شرایط حدی، گرم شدن می‌تواند باعث ذوب شدن سیم شود و یک خطر آتش‌سوزی قابل توجه ایجاد کند و خطری برای اموال و انسان‌ها باشد.

برای تضمین ایمنی و عملکرد بهینه یک سیستم برق، استفاده از یک سیم زمین با اندازه مناسب ضروری است. به عنوان مثال، در یک سرویس استاندارد 100 آمپری با طول 150 فوت، یک سیم زمین 8 AWG (AWG آمریکایی) معمولاً توصیه می‌شود. رعایت این الزامات اندازه‌گیری به محافظت علیه خطرات الکتریکی کمک می‌کند و اطمینان می‌دهد که سیستم زمین‌سازی به طور مؤثر عمل می‌کند و محافظت قابل اعتمادی در صورت خطا ارائه می‌دهد.