گراند (Earth) یا اتصال به زمین یکی از مفاهیم بنیادی در مهندسی برق و الکترونیک است که نقش حیاتی در ایمنی، عملکرد صحیح و قابلیت اطمینان سیستم‌های الکترونیکی ایفا می‌کند. در مهندسی برق، گراند به عنوان یک مرجع پتانسیل الکتریکی تعریف می‌شود که ولتاژهای دیگر نسبت به آن سنجیده می‌شوند. در سیستم‌های الکترونیکی، گراند مسیری برای بازگشت جریان به منبع فراهم می‌کند و از تجمع بارهای الکتریکی ناخواسته جلوگیری می‌نماید.
سیستم‌های گراند مناسب از برق گرفتگی جلوگیری کرده و با ارائه مسیری با امپدانس پایین برای جریان‌های خطا، امکان عمل کردن صحیح سیستم‌های حفاظتی مانند فیوزها و کلیدهای مدارشکن (Circuit Breakers) را فراهم می‌آورند. این موضوع به ویژه در سیستم‌های قدرت و تجهیزات صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار است.
در سیستم‌های الکترونیکی حساس، به ویژه در کاربردهای فرکانس بالا و سیستم‌های مخابراتی، طراحی گراند مناسب برای جلوگیری از نویز و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ضروری است. یک طراحی ضعیف می‌تواند منجر به تخریب سیگنال، اعوجاج و کاهش عملکرد کلی سیستم شود.
سیستم‌های گراند با ارائه یک مسیر بازگشت با امپدانس پایین برای جریان‌های ناخواسته، به کاهش نویز و تداخل الکترومغناطیسی کمک می‌کنند. این موضوع در سیستم‌های دیجیتال پرسرعت و تجهیزات اندازه‌گیری دقیق از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
| نوع گراند | کاربرد اصلی | ملاحظات طراحی |
|---|---|---|
| سیگنال | مرجع ولتاژ در مدارها | جلوگیری از حلقه‌های زمین، minimization نویز |
| حفاظتی | محافظت در برابر برق گرفتگی | امپدانس پایین، اتصال فیزیکی مطمئن |
| Chassis | اتصال بدنه تجهیزات | جلوگیری از پتانسیل شناور، محافظت در برابر ESD |
در سیستم‌های قدرت، طراحی گراند مناسب برای امنیت و پایداری شبکه ضروری است. مطالعات نشان می‌دهند که سیستم‌های گراند ضعیف می‌توانند منجر به ناپایداری ولتاژ، افزایش تلفات و حتی خاموشی‌های گسترده شوند. در سیستم‌های توزیع، طراحی گراند بر پایداری ولتاژ و حفاظت تأثیر مستقیم دارد
در سیستم‌های مخابراتی و به ویژه در تقویت کننده‌های قدرت، طراحی گراند نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد دارد. به عنوان مثال، در تقویت‌کننده‌های کلاس E که در رادارهای آرایه فازی استفاده می‌شوند، طراحی گراند مناسب برای دستیابی به راندمان بالا (در برخی موارد بیش از 60%) ضروری است
در مبدل‌های DC-DC و اینورترها، طراحی گراند برای کنترل نویز سوئیچینگ و کاهش تداخل الکترومغناطیسی حیاتی است. تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند تزریق ولتاژ توالی صفر برای کنترل ولتاژ نقطه خنثی در مبدل‌های سه سطحی مورد استفاده قرار می‌گیرند .
حلقه‌های زمین زمانی ایجاد می‌شوند که چندین مسیر مختلف برای بازگشت جریان به زمین وجود داشته باشد. این پدیده می‌تواند منجر به القای نویز، هوم (Hum) و تداخل در سیستم‌های حساس شود. برای حل این مشکل از تکنیک‌هایی مانند گراند ستاره‌ای (Star Grounding) و ایزولاسیون گالوانیک استفاده می‌شود.
در فرکانس‌های بالا، حتی امپدانس بسیار کم مسیر گراند می‌تواند منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل قابل توجهی شود. به همین دلیل، در سیستم‌های high-speed از طرح‌های گراند جامد (Solid Ground Plane) استفاده می‌شود.
دسترسی به EMC مناسب بدون طراحی گراند بهینه غیرممکن است. استانداردهای سختگیرانه‌ای برای انتشار الکترومغناطیسی و مصونیت در تجهیزات الکترونیکی وجود دارد که رعایت آن‌ها مستلزم طراحی دقیق سیستم گراند است.
خصوصیات خاک از جمله مقاومت ویژه، رطوبت و عملکرد سیستم‌های گراند دارد. در مناطق خشک، ممکن است نیاز به استفاده از مواد کاهنده مقاومت زمین باشد.
رعایت استانداردهای ملی و بین‌المللی از جمله IEEE Std 80 برای سیستم‌های گراند substation، IEC 61000 برای EMC و NEC برای سیم‌کشی الکتریکی ضروری است.
در به‌روزرسانی یا گسترش سیستم‌های موجود، باید به سازگاری سیستم گراند جدید با سیستم‌های قبلی توجه ویژه‌ای داشت.
در مناطقی با مقاومت ویژه بالای خاک، استفاده از الکترودهای عمقی (Deep Ground Rods) می‌تواند مقاومت زمین را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
استفاده از مواد کاهنده مقاومت زمین مانند بنتونیت یا ترکیبات مشابه می‌تواند عملکرد سیستم گراند را بهبود بخشد.
در تأسیسات بزرگ مانند پست‌های برق، از شبکه‌های گراند گسترده استفاده می‌شود که شامل شبکه‌ای از conductors دفن شده در زمین است.
انجام تست‌های منظم مقاومت زمین و بازرسی visual از اتصالات برای اطمینان از عملکرد صحیح سیستم گراند ضروری است.
سیستم گراند به عنوان بخش جدایی‌ناپذیر هر installation الکتریکی یا الکترونیکی، نقش حیاتی در ایمنی، قابلیت اطمینان و عملکرد بهینه تجهیزات ایفا می‌کند. با پیشرفت فناوری و افزایش حساسیت تجهیزات الکترونیکی، اهمیت طراحی بهینه سیستم‌های گراند بیشتر شده است. توسعه مواد جدید با رسانایی بالاتر، روش‌های پیشرفته مدلسازی و شبیه‌سازی، و سیستم‌های مانیتورینگ هوشمند از جمله روندهای آینده در این زمینه هستند.
