سیم ارت: حفاظ نامرئی در مدارهای الکتریکی
سیم ارت (یا سیم زمین) مسیری تعبیه‌شده در سیستم‌های برق‌کشی است که وظیفه‌ای جز تأمین ایمنی بر عهده ندارد. برخلاف سیم‌های فاز و نول که مدار الکتریکی را تغذیه و کامل می‌کنند، سیم ارت جریان الکتریکی خاصی را در شرایط عادی حمل نمی‌کند. این سیم که معمولاً با روکش سبز/زرد مشخص می‌شود، تمامی بخش‌های فلزی بدنه‌ی دستگاه‌های برقی را به زمین متصل می‌کند. به بیان ساده، سیم ارت مانند سپری عمل می‌کند که در صورت بروز مشکل در دستگاه‌های برقی (مثلاً اتصالی یا خرابی عایق)، برق اضافی را به سرعت و ایمن به زمین منتقل کرده و از برق‌گرفتگی یا آتش‌سوزی جلوگیری می‌کند. شاید در نگاه اول حضور این سیم «اضافه» چندان محسوس نباشد، اما همین حفاظ نامرئی نقش بزرگی در ایمنی زندگی روزمره ما ایفا می‌کند.
نگاهی تاریخی به پیدایش ارتینگ
استفاده از زمین به عنوان بخشی از مدار الکتریکی ایده‌ای است که قدمت آن به عصر تلگراف بازمی‌گردد. در سال ۱۸۳۶، یک دانشمند آلمانی به نام «کارل آگوست اشتاینheil» کشف کرد که زمین می‌تواند به عنوان سیم برگشت در مدار تلگراف عمل کند و نیازی به سیم برگشتی مجزا نیست. این کشف، آغازگر درک ما از زمین به عنوان رسانای الکتریکی بود. با اختراع سیستم‌های برق‌رسانی شهری، مفهوم ارتینگ به تدریج برای ایمنی مورد توجه قرار گرفت. اوایل قرن بیستم، حتی در کشورهای پیشرفته نیز نصب سیم ارت در تأسیسات برقی خانگی فوری پذیرفته نشده بود. به عنوان مثال در شهر نیویورک آمریکا، بحث‌های زیادی پیرامون ضرورت ارتینگ درگرفت و سرانجام از سال ۱۹۱۳ نصب سیم ارت در ساختمان‌ها اجباری شدantler.nyc. در اروپا نیز روند مشابهی دیده شد؛ انجمن مهندسان برق انگلستان در دهه‌های آغازین قرن بیستم اتصال بدنه‌های فلزی به زمین را الزام‌آور اعلام کرد و در سال ۱۹۲۳ کشور فرانسه نیز در استانداردهای ملی خود ارت کردن تجهیزات برقی را اجباری نمود. این اقدامات نشان داد که ایمنی برق یک ضرورت جهانی است. امروزه در اکثر کشورهای جهان، مقررات سخت‌گیرانه‌ای برای اجرای سیستم ارتینگ در ساختمان‌ها وجود دارد و نبود سیم ارت در تأسیسات برقی جدید عملاً غیرقانونی است.
اصول فنی ارتینگ و نحوه عملکرد آن
برای درک عملکرد سیم ارت، ابتدا باید دانست که چرا اصلاً جریان الکتریکی تمایل دارد به زمین برود. در سیستم‌های توزیع برق، نقطه‌ی نول ترانسفورماتور را به زمین وصل می‌کنند تا ولتاژ سیم‌های فاز نسبت به زمین در یک مقدار ایمن (مثلاً ۲۳۰ ولت) نگه داشته شود. بدین ترتیب زمین به عنوان مرجع صفر ولت عمل می‌کند. اکنون فرض کنید در یک وسیله برقی مانند یخچال، به دلیل فرسودگی عایق یا خرابی، سیم فاز با بدنه‌ی فلزی دستگاه تماس پیدا کند. در دستگاهی که سیم ارت ندارد، بدنه‌ی فلزی برقدار شده و به محض لمس آن توسط فرد، مسیر جریان از طریق بدن شخص به زمین برقرار می‌شود که می‌تواند منجر به شوک شدید و حتی مرگ گردد. اما اگر آن بدنه‌ی فلزی از طریق سیم ارت به زمین متصل باشد، چه رخ می‌دهد؟ در این حالت، جریان زیادی از طریق سیم ارت به سمت زمین و در نهایت به نول ترانسفورماتور جاری می‌شود. چون مقاومت مسیر ارت بسیار کم است، جریان خطا به سرعت افزایش می‌یابد و فیوز یا کلید محافظ مدار بلافاصله عمل کرده و مدار را قطع می‌کند. به این ترتیب برق دستگاه قطع شده و فرد در امان می‌ماند. در واقع سیم ارت با فراهم کردن یک مسیر کم‌مقاومت به زمین، نقش یک سوپاپ اطمینان را بازی می‌کند که انرژی خطرناک را به دل خاک تخلیه کرده و اجازه نمی‌دهد از بدن انسان عبور کند.
نکته‌ی فنی قابل توجه این است که سیم نول و سیم ارت هر دو به زمین مرجع وصل می‌شوند اما کارکردی متفاوت دارند. سیم نول بخشی از مدار الکتریکی است که جریان کاری مدار را به منبع بازمی‌گرداند، در حالی که سیم ارت صرفاً مسیر جایگزین برای شرایط اضطراری است و در حالت عادی جریان از آن عبور نمی‌کند. به عبارتی دیگر، نول و ارت در تابلوی اصلی برق ساختمان به یک نقطه متصل می‌شوند، ولی تنها یکی (نول) در مدارهای جاری دخیل است و دیگری (ارت) ساکت و آماده‌به‌کار برای روز مبادا است. این طراحی تضمین می‌کند که حتی اگر نول به هر دلیل دچار نقص شود یا اتصال فاز به بدنه پیش بیاید، حضور سیم ارت جان افراد را نجات دهد. بنابراین هرگز نباید سیم ارت و نول را یکی دانست یا آنها را به جای یکدیگر به کار برد؛ هر کدام نقش جداگانه و حیاتی خود را ایفا می‌کنند.
تفاوت سیم ارت و نول از دید کاربرد و ایمنی
از منظر یک مصرف‌کننده عادی، سیم نول و ارت هر دو رساناهای صفر ولت هستند و در پریز برق خانگی حتی به هم متصل‌اند. این نزدیکی ممکن است این تصور اشتباه را ایجاد کند که این دو سیم تفاوتی ندارند، اما در حقیقت وظیفه‌ی آنها متفاوت است. سیم نول مسیر برگشت جریان مدار است؛ وقتی یک وسیله برقی (مثل لامپ) را به برق وصل می‌کنید، جریان از سیم فاز وارد دستگاه شده و از طریق سیم نول به منبع بازمی‌گردد و بدین ترتیب مدار کامل می‌شود. در مقابل، سیم ارت جریان معمولی مدار را حمل نمی‌کند. این سیم تمام نقاط فلزی در دسترس دستگاه (شاسی، بدنه و قاب‌ها) را هم‌پتانسیل با زمین نگاه می‌دارد تا در شرایط عادی اختلاف ولتاژی بین بدنه دستگاه و زمین وجود نداشته باشد. اگر همه چیز درست کار کند، هیچ جریانی از ارت عبور نمی‌کند؛ اما اگر حادثه‌ای رخ دهد (مثل اتصال فاز به بدنه)، آن زمان سیم ارت وارد عمل شده و جریان خطا را به زمین منتقل می‌کند تا وسیله‌ی حفاظتی (فیوز یا کلید نشتی جریان) سریعاً برق را قطع کند. در چنین حالتی، وجود سیم ارت باعث می‌شود به جای اینکه بدن شما نقش سیم نول را بازی کند و جریان را زمین کند، این وظیفه بر عهده سیم ارت باشد. به بیان دیگر، نول برای کارکرد مدار و ارت برای حفاظت مدار و کاربران است. این تفاوت اساسی سبب شده که در استانداردهای برق‌رسانی، هر دو سیم به صورت مجزا در تأسیسات تعبیه شوند و رنگ‌بندی متفاوتی (نول معمولاً آبی، ارت سبز/زرد) داشته باشند تا اشتباهاً با هم جابجا نشوند.
سیم ارت در زندگی روزمره
شاید تا به حال به سومین شاخک گرد در دوشاخه‌های برق یا سوراخ سوم در پریزهای سه‌شاخه دقت کرده باشید. آن اتصال اضافی در حقیقت همان مسیر ارت است که به ظاهر نقشی در روشن شدن دستگاه ندارد، اما نقشی حیاتی در ایمن روشن ماندن آن ایفا می‌کند. در زندگی روزمره، هر وسیله برقی فلزی که لمس می‌کنیم – از یخچال و ماشین لباسشویی گرفته تا کیس کامپیوتر و مایکروویو – همه و همه به لطف وجود سیم ارت بی‌خطر شده‌اند. برای مثال، بدنه فلزی یخچال شما مستقیماً به سیم ارت ساختمان وصل است. اگر یک نقص الکتریکی در کمپرسور یا سیم‌کشی داخلی یخچال رخ دهد و بدنه برقدار شود، همین اتصال ارت سبب می‌شود برق فوراً به زمین منتقل شده و فیوز قطع کند، پیش از آنکه شما حتی متوجه مشکلی شوید. بدون ارت، بدنه‌ی یخچال می‌تواند به تله‌ی مرگ تبدیل شود که با یک لمس ساده شوک الکتریکی شدیدی منتقل کند. خوشبختانه ارتینگ مانع از چنین حوادثی می‌شود.
از سوی دیگر، بعضی از وسایل برقی که بدنه‌ی فلزی ندارند یا طراحی دو عایقه (Double Insulated) دارند، ممکن است دوشاخه‌ی دوپینه (بدون ارت) داشته باشند. این دستگاه‌ها مانند شارژر موبایل، رادیو پلاستیکی یا سشوارهای دوبل عایق، به نحوی طراحی شده‌اند که حتی در صورت بروز نقص داخلی، دسترسی به بخش برقدار برای کاربر ممکن نباشد. در چنین مواردی نبود سیم ارت به معنی خطرناک بودن دستگاه نیست، بلکه نشان از آن دارد که ایمنی لازم به شیوه دیگری تأمین شده است (مثلاً با عایق‌بندی مضاعف قطعات). با این حال، در اکثر لوازم خانگی بزرگ و ابزارهای صنعتی، وجود ارت الزامی است و اگر وسیله‌ای سه‌شاخه طراحی شده، هرگز نباید آن را با تبدیل دوشاخه بدون ارت به برق متصل کرد – چنین کاری حذف عمدی ترمز ایمنی مدار است. شاید دستگاه ظاهراً کار کند و مشکلی پیش نیاید، اما در صورت وقوع اتصالی، جان افراد در خطر قرار خواهد گرفت.
چالش‌ها و مشکلات اجرای صحیح ارتینگ
اجرای یک سیستم ارتینگ استاندارد در ساختمان‌ها نیاز به دقت، دانش فنی و هزینه دارد و متأسفانه گاهی در عمل با چالش‌هایی همراه است. یکی از رایج‌ترین مشکلات، بی‌توجهی به کیفیت اتصال زمین است. برای اینکه سیم ارت وظیفه خود را درست انجام دهد، باید مقاومت اتصال آن به خاک بسیار کم باشد (معمولاً چند اهم یا کمتر). دستیابی به چنین مقاومتی مستلزم استفاده از الکترودهای مناسب (مثل میله مسی یا صفحه‌ی مسی دفن‌شده در خاک مرطوب) و اجرای اصولی چاه ارت است. در برخی مناطق که خاک سنگلاخی یا خشک دارند، رسیدن به مقاومت ایده‌آل دشوارتر بوده و نیاز به اقدامات تکمیلی مانند استفاده از مواد بهبوددهنده‌ی مقاومت خاک (بنتونیت و نمک) یا افزایش تعداد الکترودهای زمین است. چاه ارت غیراستاندارد یا با مقاومت بالا در عمل کارایی لازم را ندارد و ممکن است هنگام وقوع اتصال بدنه، جریان کافی جهت قطع فوری فیوز از آن عبور نکند. به همین دلیل تست دوره‌ای ارت (ارت‌تستر) و اندازه‌گیری مقاومت زمین یک الزام ایمنی برای ساختمان‌ها و تأسیسات حساس است.
چالش دیگر، استفاده نادرست یا عدم استفاده از ارت در برخی ساختمان‌های قدیمی است. در گذشته ممکن بود سیم‌کشی ساختمان‌ها فقط با دو رشته سیم انجام شود و خبری از سیم ارت نباشد. در چنین بناهایی ارتینگ اغلب نادیده گرفته شده یا افراد ناآگاه برای رفع مشکل برق‌گرفتگی احتمالی، ابتکارهای خطرناکی به خرج می‌دهند. به طور مثال، وصل کردن بدنه‌ی دستگاه به لوله آب فلزی یک روش غلط اما متداول بوده است. هرچند لوله‌های فلزی آب به زمین متصل‌اند و تا حدی نقش ارت را بازی می‌کنند، اما اتکا به سیستم لوله‌کشی به جای چاه ارت می‌تواند مخاطره‌آمیز باشد (مثلاً در صورت خشک بودن بخشی از لوله یا استفاده از لوله پلاستیکی در قسمتی از مسیر، مسیر زمین پیوستگی نخواهد داشت). به تصریح متخصصان، اتصال سیم ارت به لوله آب برای صرفه‌جویی اشتباهی رایج است و سیم ارت حتماً باید به الکترود مخصوص خود (چاه ارت) وصل شود. همچنین مشاهده شده که برخی افراد به اشتباه سیم نول را به جای ارت به بدنه وسایل وصل می‌کنند یا در پریزهای قدیمی، نول و ارت را جامپر می‌زنند؛ این کار فوق‌العاده خطرناک است زیرا در صورت جدا شدن اتفاقی نول در مسیر، تمام بدنه دستگاه برق فاز خواهد گرفت. به طور کلی هرگونه میانبر غیرایمن در ارتینگ ممکن است در کوتاه‌مدت مشکلی را پنهان کند ولی در بلندمدت زمینه‌ساز حادثه‌های جدی خواهد بود.
استانداردها و دستورالعمل‌های ارتینگ در ایران و جهان
موضوع ارتینگ و حفاظت در برابر برق‌گرفتگی آنقدر حیاتی است که مقررات و استانداردهای مفصلی در این زمینه تدوین شده است. در ایران طبق مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان و همچنین دستورالعمل‌های وزارت نیرو، تمام ساختمان‌های جدید باید مجهز به سیستم اتصال زمین باشند. برای هر اشتراک برق (تکفاز یا سه‌فاز) حداقل یک الکترود زمین (چاه ارت) مستقل در نظر گرفته می‌شود و تمامی مدارهای پریز، روشنایی و تجهیزات فلزی ساختمان دارای رسانای حفاظتی (ارت) جداگانه هستند. شرکت توانیر و سازمان نظام مهندسی بر اجرای صحیح ارتینگ نظارت دارند و صدور تأییدیه پایان کار منوط به رعایت این اصول ایمنی است. همچنین نصب کلیدهای محافظ جان (Residual Current Device) در مدارها به شدت توصیه شده و در بسیاری از اماکن اجباری است. این کلیدها نسبت به جریان نشتی حساس‌اند و اگر جریانی هرچند کوچک به مسیر زمین (غیر از نول) نشت کند، در کسری از ثانیه مدار را قطع می‌کنند و مکمل عملکرد سیم ارت محسوب می‌شوند.
در استانداردهای بین‌المللی نظیر IEC 60364، انواع سیستم‌های زمین تعریف شده‌اند که نحوه اتصال نول و ارت را در شبکه‌های توزیع مشخص می‌کنند. برای نمونه، در سیستم نوع TN-C-S نول و ارت در نقطه ورود به ساختمان یکی می‌شوند ولی پس از آن در سیم‌کشی داخلی تفکیک می‌گردند (این روش در بسیاری از کشورها از جمله ایران رایج است)، یا در سیستم TT هر ساختمان چاه ارت مستقل خود را دارد و نول شبکه و زمین ساختمان فقط از طریق خاک به هم مرتبط هستند. هر کدام از این سیستم‌ها مزایا و ملاحظات خاص خود را دارند، اما وجه مشترک همه‌ی آنها این است که باید مسیر مطمئنی برای بازگشت جریان‌های خطا به زمین وجود داشته باشد. علاوه بر این، استانداردها به رنگ‌بندی سیم‌ها (سبز/زرد برای ارت در اکثر کشورها)، حداقل سطح مقطع سیم ارت (اغلب هم‌سطح سیم فاز برای تحمل جریان خطا)، حداکثر مقاومت مجاز اتصال زمین (مثلاً زیر ۲ یا ۵ اهم بسته به نوع کاربری) و ضرورت هم‌بندی (ارتباط الکتریکی تمام قسمت‌های فلزی ساختمان به یکدیگر و به زمین) تأکید ویژه دارند. در حوزه صنعت و تأسیسات بزرگ نیز آیین‌نامه‌هایی مانند استاندارد IEEE 80 (برای ارتینگ پست‌های برق) یا مقررات NFPA و NEC در آمریکا، دستورالعمل‌های دقیقی برای طراحی شبکه زمین ارائه کرده‌اند تا در بدترین شرایط خطا نیز ایمنی افراد و تجهیزات تضمین شود.
باورهای نادرست و نکاتی که باید بدانیم
با وجود آموزش‌های فراوان، هنوز هم برخی باورهای اشتباه درباره سیم ارت در بین مردم رواج دارد. یکی از این تصورات غلط، همان‌طور که اشاره شد، یکی دانستن نول و ارت است. برخی افراد می‌گویند “وقتی هر دو به زمین وصل‌اند، پس فرقی ندارند” در حالی که این برداشت خطرناکی است؛ ارت هرگز جایگزین نول در مدار نمی‌شود و عملکرد اختصاصی خودش را دارد. مورد اشتباه دیگر، بی‌اهمیت شمردن سیم ارت است. چون در ظاهر، جدا کردن سیم ارت تأثیری در کارکرد دستگاه ندارد (مثلاً بسیاری دیده‌ایم که یک سه‌شاخه‌ی ارت‌دار را با یک تبدیل دوشاخه به پریز بدون ارت وصل می‌کنند و وسیله به کار خود ادامه می‌دهد)، عده‌ای گمان می‌کنند نبود ارت مشکل‌ساز نیست. حقیقت این است که سیم ارت تا زمانی که همه چیز عادی است کاری انجام نمی‌دهد و نبودنش محسوس نیست، اما زمانی اهمیت خود را نشان می‌دهد که خطایی رخ دهد – درست در همان لحظه که نبود آن می‌تواند فاجعه بیافریند. پس نباید گول عملکرد عادی دستگاه بدون ارت را خورد.
باور نادرست بعدی مربوط به مقوله صاعقه و ارت است. گاهی پرسیده می‌شود آیا سیم ارت همان وظیفه‌ی برق‌گیر را انجام می‌دهد؟ در پاسخ باید گفت سیستم ارتینگ بخشی از حفاظت صاعقه نیز هست، اما نقش آن در این زمینه در قالب سیستم صاعقه‌گیر تعریف می‌شود. صاعقه‌گیرهای نصب‌شده روی بام ساختمان‌ها، جریان عظیم صاعقه را از طریق هادی‌های نزولی به سیستم زمین ساختمان تخلیه می‌کنند تا از آسیب به سازه و ساکنان جلوگیری شود. بنابراین سیم ارت ساختمان باید توان عبور جریان صاعقه را نیز داشته باشد و اتصالات آن بسیار محکم و پایدار باشند. اما نکته مهم اینجاست که حضور سیم ارت به تنهایی به معنی محافظت کامل در برابر صاعقه نیست؛ بلکه برای این کار طراحی ویژه‌ای لازم است (نصب میله صاعقه‌گیر، چاه ارت اختصاصی صاعقه و غیره). به طور خلاصه، هرچند ماهیت زمین در هر دو یکسان است، اما سازوکار حفاظت در برابر صاعقه مبحثی تخصصی‌تر و فراتر از صرفاً داشتن سیم ارت در مدارهای داخلی ساختمان است.
جمع‌بندی: زمین ایمن، زندگی ایمن
در این محتوا به موضوع سیم ارت چیست پرداختیم! اما همیشه این موضوع را در نظر داشته باشید که سیم ارت شاید در سیم‌کشی ساختمان پنهان باشد و مستقیماً در روشن شدن چراغ یا کارکرد وسایل نقشی نداشته باشد، اما سنگ بنای ایمنی برق در زندگی مدرن است. ارتینگ صحیح به معنای آسودگی خیال از خطرات پنهان برق است. این سیم سبز و زرد رنگ، محافظ خاموشی است که تنها در لحظات اضطراری وارد عمل می‌شود و جان انسان را نجات می‌دهد. تاریخچه ارتینگ نشان می‌دهد که تجربه و حوادث تلخ برق‌گرفتگی بشر را واداشته تا این سپر حفاظتی را جدی بگیرد و هر روز آن را بهبود بخشد. پس دفعه‌ی بعد که سه‌شاخه‌ی وسیله برقی را به پریز وصل می‌کنید، به یاد داشته باشید که آن سوراخ پایین پریز و سیم متصل به آن در دل دیوار، نگهبان همیشگی امنیت شماست. رعایت استانداردهای ارتینگ در خانه و محیط کار را دست‌کم نگیرید؛ سرمایه‌گذاری امروز برای یک سیستم ارتینگ مطمئن، پیشگیری از حوادث ناگوار فرداست. به بیان ساده، زمین ایمن برابر است با زندگی ایمن. امنیت برق شما روی همین زمین بنا شده است.
