تائید قطع خودکار در سیستم TN
تائید قطع خودکار در سیستم TN
جداسازی خودکار، یکی از پایه ای ترین روش های حفاظت در مدارهای الکتریکی است. از جدا سازی خودکار جهت شناسایی سریع خطا و جدا کردن محدوده ی آن از منبع تغذیه استفاده می شود. خطاهای الکتریکی و مکانیکی باعث تغییر در کمیت های الکتریکی مانند افزایش جریان و کاهش ولتاژ می شوند. با توجه به تغییر کمیت های مدار می توان جدا سازی اتوماتیک را بر اساس دامنه ی مجاز کمیت های مهم طراحی کرد. در سطح فشار ضعیف اغلب از کمیت های جریان و ولتاژ جهت تشخیص خطا استفاده می گردد. پارامترهای دیگر مانند فرکانس، توان، جهت توان و غیره در سطوح ولتاژی بالاتر یا مدارهای بسیار پیچیده لحاظ می شوند.
حفاظت جریانی
حفاظت جریانی از ساده ترین و کاربردی ترین روش های تشخیص خطا در مدار است. حفاظت جریانی اغلب به شکل اضافه جریان یا Over Current در مدارها طراحی می شود. اضافه جریان را می توان به بخش های اضافه بار یا Over Load و اتصال کوتاه یا Short Circuit تقسیم کرد.
خطای زمین با توجه به نوع مدار ممکن است باعث افزایش جریان نشود. میزان جریان خطای زمین با توجه به محل رخ دادن آن و نوع سیستم انتقال قدرت تعیین می شود. به منظور کاهش خطرات شوک و آتش سوزی الکتریکی، زمان جداسازی خودکار با توجه به طرح ارتینگ مدار استاندارد شده است. جهت آشنایی با روش های حفاظت در برابر این خطرات مقالات حفاظت در برابر شوک الکتریکی و حفاظت در برابر آتش سوزی الکتریکی را مطالعه کنید. خطاهای جریانی و تائید جداسازی خودکار در سیستم های TN، TT و IT در ادامه بررسی شده است.
اضافه بار
خطای اضافه بار معمولا به علت اشکالات مکانیکی مانند قرار گرفتن بار غیر مجاز روی تاسیسات، خرابی بلبرینگ ها، گیربکس ها و غیره ایجاد می شود. جریان اضافه بار می تواند تا چند برابر جریان نامی افزایش پیدا کرده و باعث بالارفتن حرارت تجهیزات گردد. حفاظت اضافه بار دارای زمان بوده و با وقفه عمل می کند. زمان وقفه به نوع تجهیزات و میزان اضافه جریان ارتباط دارد. به منظور بیان میزان زمان عملکرد و رفتار تجهیز در برابر اضافه بار از اصطلاح هایی مانند زمان وقفه طولانی یا Long time نیز استفاده می شود. این بخش ممکن است با منحنی معکوس زمان-جریان نیز شرح داده شود.
به منظور حفاظت اضافه بار از سیستم ذوب شونده، دوفلزی یا الکترونیک استفاده می شود. سیستم های ذوب شونده همان فیوزها هستند. فیوز بر اساس تیپ کاری می تواند شامل حفاظت اضافه بار نیز باشد. سوختن فیوز باعث باز شدن مدار و جداسازی خودکار خواهد شد.
بخش دوفلزی و الکترونیک به صورت مستقل یا بخشی از بریکر در نظر گرفته می شود. از حفاظت های مستقل اضافه بار می توان به بی متال و رله های کنترل بار اشاره کرد. این رله ها به صورت مستقیم مدار را قطع نکرده و نیاز به یک جدا کننده دارند. رله های اضافه بار حرارتی و الکترونیک می توانند با کنتاکتور یا بریکر در مدار قرار بگیرند. در واقع رله های فوق صادر کننده ی فرمان قطع بوده و کنتاکتور یا بریکر نقش جداسازی را دارند.
رله های الکترونیک قادر به تشخیص خطای جریانی دیگر مانند عدم تعادل، قطع فاز و کاهش جریان نیز هستند. به عنوان مثال برخی از خطاهای مکانیکی مانند پاره شدن تسمه باعث کاهش جریان سیستم می شوند. با حفاظت کاهش جریان یا Under Current می توان این موارد را نیز شناسایی کرد.
اتصال کوتاه
اتصال کوتاه بسیار مخرب بوده و با اتصال مستقیم دو یا چند هادی برقدار با یکدیگر رخ می دهد. به عنوان مثال اتصال دو هادی فاز را در نظر بگیرید. این پدیده باعث افزایش جریان در حد چند هزار آمپر شده و تاسیسات را به شدت تهدید می کند. میزان جریان اتصال کوتاه با توجه به نوع مدار و محل رخ دادن خطا تعیین می شود. خطای اتصال کوتاه باید به سرعت شناسایی شده و بلادرنگ قطع شود. به منظور جداسازی خودکار هنگام رخ دادن اتصال کوتاه از فیوز و بریکر استفاده می شود. فیوزها بلافاصله پس از رخ دادن اتصال کوتاه ذوب شده و مدار را قطع می کنند.
تصویر 1 رخ دادن خطای اتصال کوتاه
بخش تشخیص دهنده ی اتصال کوتاه در بریکر می تواند به صورت مغناطیسی یا الکترونیک باشد. بخش های مغناطیسی یا الکترونیک با کنتاکت های قدرت مرتبط شده و می توانند جداسازی خودکار را انجام دهند. حفاظت اتصال کوتاه در برخی شرایط خاص می تواند دارای زمان وقفه بسیار کوتاه نیز باشد. زمان وقفه اتصال کوتاه با واحدهای میلی ثانیه به منظور هماهنگی تجهیزات حفاظتی استفاده می شود.
تصویر 2 بریکر مینیاتوری با حفاظت اضافه بار و اتصال کوتاه به شکل دو فلزی و مغناطیسی
اتصال زمین
از خطاهای جریانی می توان به خطای عایقی یا ارت فالت نیز اشاره کرد. در این خطا یک یا چند هادی برقدار به بدنه ی تجهیز متصل می شود. خطای زمین می تواند باعث شوک و آتش سوزی الکتریکی شود. رفتار خطای زمین در مدارهای مختلف بسیار متفاوت بوده و به سیستم ارتینگ آن وابسته است. در برخی از مدارها میزان جریان خطای زمین به حدی بالا بوده که می توان از فیوز یا بریکر به منظور جدا سازی خودکار استفاده کرد. در برخی مدارها جریان خطای زمین کمتر از جریان نامی بوده و برای شناسایی آن ها نیاز به تجهیزات ویژه مانند رله های مانیتورینگ خطای عایقی و RCD ها است.
تصویر 3 رخ دادن آتش سوزی الکتریکی بعلت جریان نشتی در مدار
تائید جداسازی خودکار در سیستم TN
در سیستم TN می توان از فیوز یا بریکر به منظور جدا سازی خودکار استفاده کرد. جداسازی خودکار باید در برابر خطای زمین نیز عملکرد داشته باشد. طبق استاندارد IEC60364 در سیستم TN باید رابطه ی \(Z_s\times I_a\le U_0\) صادق باشد. پارامترهای این فرمول عبارتنداز:
- Zs امپدانس حلقه‌ی خطا برحسب اهم
- U0 ولتاژ نامی سیستم بین فاز و ارت معادل 230VAC در مدارهای تکفاز و سه فاز
- Ia جریان قطع خودکار منبع تغذیه در زمان مجاز
زمان مجاز جهت جداسازی خودکار در مدارهای نهایی تا 32 آمپر در مدارهای 230/400 ولت متناوب طبق استاندارد IEC برابر با 400 میلی ثانیه است. این زمان در مدارهای توزیع و بالاتر از 32 آمپر به 5 ثانیه می رسد.
به منظور تائید عملکرد سیستم حفاظتی باید حلقه ی خطا تعریف شده و امپدانس آن محاسبه شود. جهت محاسبه ی حداقل و حداکثر جریان خطا می توانید از نرم افزارها استفاده کنید. برای این کار باید تمام المان های مدار مانند ترانسفورماتور، کابل ها، سیم ها و غیره در نرم افزار تعریف شوند.
طبق تصویر زیر امپدانس مدار در حالت عادی شامل امپدانس منبع، مدار و بار می شود. جریان به دست آمده در این شرایط همان جریان نرمال سیستم خواهد بود. رخ دادن اتصال کوتاه به معنی حذف امپدانس بار است. در این حالت امپدانس مدار بسیار کوچک بوده و شامل امپدانس منبع و مدار می شود. با تقسیم ولتاژ سیستم بر امپدانس منبع و مدار، جریان اتصال کوتاه محاسبه می شود.
تصویر 4 مدار در حالت نرمال و هنگام رخ دادن خطا
اندازه گیری امپدانس مدار
هنگام تحویل مدارهای الکتریکی در تاسیسات کوچک و ساختمان ها می توانید از دستگاه های لوپ تستر یا مولتی فانکشن تستر جهت اندازه گیری امپدانس مدار استفاده کنید. اندازه گیری امپدانس با دستگاه های فوق در برقداری مدار انجام می شود. برای تست کافی است مدار را برقدار کرده و دستگاه را به آن متصل کنید. امپدانس به دست آمده توسط دستگاه همان Zs در فرمول قبل است. امپدانس مدار می تواند در چند حالت اندازه گیری شود. امپدانس فاز-فاز و فاز-نول جهت محاسبه ی جریان اتصال کوتاه مدار و امپدانس فاز-ارت جهت محاسبه ی جریان خطای زمین مفید هستند.
تصویر 5 دستگاه مولتی فانکشن تستر شرکت Megger
با مشخص بودن امپدانس و ولتاژ مدار می توان جریان اتصال زمین و اتصال کوتاه را مشخص کرد. مرحله ی بعدی انطباق جریان به دست آمده با سیستم حفاظتی است. سیستم حفاظتی می تواند جریان خطای ثابت یا قابل تنظیم داشته باشد. نکته ی مهم در این بخش، عملکرد تجهیز حفاظتی در زمان مجاز است. به عبارت دیگر جریان اتصال کوتاه و خطای زمین باید به حدی باشد که باعث قطع فیوز یا بریکر در زمان مجاز شود. جهت انطباق اطلاعات با تجهیزات باید وضعیت ظاهری المان های حفاظتی مانند فیوزها و بریکرها را بررسی کنید. این بررسی جهت مشخص کردن زمان قطع لحظه ای یا تنظیم قطع لحظه ای در بریکرها و جریان نامی یا تیپ فیوزها است.
جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات تاسیسات الکتریکی فشار ضعیف را مشاهده کنید.
جدول حداقل Zs و Ia در مدارهای TN
به منظور تائید تجهیزات حفاظتی می توانید از جدول های استاندارد نیز استفاده کنید. در ادامه جدول حداقل Zs و Ia جهت جداسازی توسط بریکر مینیاتوری و فیوزهای gG طبق استاندارد IEC 898/EN60898 آورده شده است.
جدول حداقل Zs و Ia در مدارهای TN
| حفاظت‌شده توسط بریکرهای مینیاتوری در U0 230VAC
(زمان جداسازی 0.4 و 5 ثانیه) |
حفاظت‌شده توسط فیوزهای gG در U0 230VAC | جریان نامی (آمپر) | ||||||||
| بریکر تیپ D | بریکر تیپ C | بریکر تیپ B | زمان جداسازی 0.4 ثانیه | زمان جداسازی 5 ثانیه | ||||||
| \(Z_s\mathrm{(}\mathrm{\Omega }\mathrm{)}\) | \(I_a\mathrm{(}A\mathrm{)}\) | \(Z_s\mathrm{(}\mathrm{\Omega }\mathrm{)}\) | \(I_a\mathrm{(}A\mathrm{)}\) | \(Z_s\mathrm{(}\mathrm{\Omega }\mathrm{)}\) | \(I_a\mathrm{(}A\mathrm{)}\) | \(Z_s\mathrm{(}\mathrm{\Omega }\mathrm{)}\) | \(I_a\mathrm{(}A\mathrm{)}\) | \(Z_s\mathrm{(}\mathrm{\Omega }\mathrm{)}\) | \(I_a\mathrm{(}A\mathrm{)}\) | |
| 1.92 | 120 | 3.83 | 60 | 7.67 | 30 | 8.52 | 38 | 13.5 | 17 | 6 |
| 1.15 | 200 | 2.3 | 100 | 4.6 | 50 | 5.11 | 45 | 7.42 | 31 | 10 |
| 0.72 | 320 | 1.44 | 160 | 2.87 | 80 | 2.7 | 85 | 4.18 | 55 | 16 |
| 0.57 | 400 | 1.15 | 200 | 2.3 | 100 | 1.77 | 130 | 2.91 | 79 | 20 |
| 0.46 | 500 | 0.92 | 250 | 1.84 | 125 | 1.44 | 160 | 2.3 | 100 | 25 |
| 0.36 | 640 | 0.72 | 320 | 1.44 | 160 | 1.04 | 221 | 1.84 | 125 | 32 |
| 0.29 | 800 | 0.57 | 400 | 1.15 | 200 | — | — | 1.35 | 170 | 40 |
| 0.23 | 1000 | 0.46 | 500 | 0.92 | 250 | — | — | 1.04 | 221 | 50 |
| 0.18 | 1260 | 0.36 | 630 | 0.73 | 315 | — | — | 0.82 | 280 | 63 |
| — | — | — | — | — | — | — | — | 0.57 | 403 | 80 |
| — | — | — | — | — | — | — | — | 0.42 | 548 | 100 |
برای درک بهتر به ستون جریان نامی و سطر 25 آمپر توجه کنید. در این سطر امپدانس و جریان عملکرد تجهیزات حفاظتی مانند فیوزها و بریکرهای مینیاتوری با کلاس های متفاوت آورده شده است.
جهت استفاده از فیوز باید تعیین کنید که نوع مدار به شکل توزیع یا نهایی است. زمان مجاز جدا سازی خودکار در مدارهای توزیع 5 ثانیه و در مدارهای نهایی 0.4 ثانیه است. امپدانس مدار توزیع با ولتاژ یا U0 معادل 230 ولت باید 2.3 اهم باشد. این امپدانس جریان خطای 100 آمپر را ایجاد کرده و مدار را در زمان مجاز 5 ثانیه قطع خواهد کرد. برای دست یابی به زمان عملکرد 0.4 ثانیه باید امپدانس مدار حدود 1.44 اهم باشد. این امپدانس جریان خطای 160 آمپر را ایجاد کرده که یک فیوز 25 آمپر را در کمتر از 0.4 ثانیه قطع می کند.
امپدانس مدار در صورت استفاده از بریکر مینیاتوری تیپ B باید حدود 1.84 اهم باشد. این امپدانس جریان 125 آمپر را ایجاد کرده که 5 برابر جریان نامی بریکر است. بریکرهای تیپ B در 3 تا 5 برابر جریان نامی به صورت لحظه ای عمل می کنند. جهت اطمینان از جداسازی خودکار، در استاندارد IEC حداکثر جریان عملکرد لحظه ای یعنی 5 برابر In در نظر گرفته شده است.
بریکر مینیاتوری تیپ C در محدوده ی 5 تا 10 برابر جریان نامی به صورت لحظه ای عمل خواهد کرد. برای یک بریکر 25 آمپر تیپ C جریان 250 آمپر با امپدانس 0.92 لحاظ شده است. همانطور که مشاهده می کنید با کندتر شدن سیستم حفاظتی باید امپدانس مدار کاهش داده شود.
بریکرهای تیپ D دارای بخش مغناطیسی با محدوده ی عملکرد 10 تا 20 برابر جریان نامی هستند. با توجه به مشخصه باید امپدانس مدار به 0.46 اهم برسد تا جریان خطای 500 آمپر در آن ایجاد شود.
در صورت بیشتر بودن امپدانس مدار از مقادیر ذکر شده، جداسازی خودکار در زمان مجاز انجام نخواهد شد. برای رفع این مشکل باید از حفاظت حساس تر استفاده کرده و یا امپدانس مدار را کاهش داد. جهت کاهش امپدانس مدار راه های مختلفی مانند کاهش طول هادی ها یا افزایش سطح مقطع آن وجود دارد. در صورت بالا بودن مقاومت سیستم زمین نمی توان از حفاظت اضافه جریان جهت حفاظت اتصال زمین نیز استفاده کرد. در این شرایط باید مقاومت سیستم زمین کاهش داده شده یا از RCD ها استفاده شود. تقویت چاه ارت، هم بندی و افزایش سطح مقطع هادی حفاظتی در کاهش مقاومت سیستم زمین مفید هستند.
مثال
در یک مدار نهایی با طرح ارتینگ TN از فیوز ذوب شونده 16 آمپر تیپ gG استفاده شده است. طبق جدول استاندارد IEC جهت جداسازی خودکار در زمان 0.4 ثانیه با فیوز 16 آمپر تیپ gG باید Zs حلقه ی خطا معادل 2.7 و Ia معادل 85 آمپر باشد. طبق تصویر امپدانس اندازه گیری شده L-PE در این مدار حدود 1.14 اهم است. با قرار دادن امپدانس 1.14 و ولتاژ 230 در فرمول \(Z_s\times I_a\mathrm{\le }U_0~\) میزان جریان عملکرد یا Ia حدود 202 آمپر محاسبه می شود. همانطور که مشاهده می کنید جریان 202 آمپر بزرگتر از 85 آمپر بوده و جداسازی خودکار در این مدار به درستی انجام می گیرد.
تصویر 6 اندازه گیری امپدانس L-PE با دستگاه
تائید عملکرد RCD در سیستم TN
جهت حفاظت خطای عایقی و خطای زمین می توان از انواع RCD در مدارهای TN-S استفاده کرد. انواع RCD را در مقاله ی RCD چیست معرفی کرده ایم. عملکرد RCD ها باید به عنوان یک جداکننده ی اتوماتیک در زمان مجاز تست و تائید شود. طبق استاندارد IEC یک RCD باید در زمان عملکرد مجاز داشته باشد. زمان مجاز جهت جداسازی خودکار در مدارهای نهایی تا 32 آمپر در مدارهای 230/400 ولت متناوب برابر با 400 میلی ثانیه است. این زمان در مدارهای توزیع و بالاتر از 32 آمپر به 5 ثانیه می رسد.
تائید جداسازی خودکار RCD ها مانند بریکرهای نشتی جریان یا بریکرهای ترکیبی با فشردن دکمه ی تست روی آن ها مجاز نمی باشد. برای اینکار باید از دستگاه های تست RCD استفاده کرد. دستگاه های تست RCD می توانند آزمون های مختلفی مانند عدم عملکرد، زمان عملکرد، جریان عملکرد، کلاس جریان عملکرد و غیره را انجام دهند. نتایج تست باید با تیپ RCD و نوع مدار مطابقت داشته باشد. در صورت عدم جداسازی در زمان مجاز باید از RCD مناسب استفاده شود.
دستگاه تست RCD می توانند یک جریان کنترل شده بین هادی فاز و هادی حفاظتی برقرار کنند. این جریان در برخی از تست ها نباید باعث عملکرد RCD شده و در برخی از تست ها باید آن را در زمان مجاز قطع کند. میزان جریان و زمان تزریق آن تا عملکرد RCD توسط دستگاه اندازه‌گیری می‌شود. در استانداردهای IEC 1009/EN 61009 و IEC1008/EN 61008 محدودیت‌های زمانی برای شرح داده شده است. نتایج تست باید با این مقادیر انطباق داشته باشند.
جدول محدودیت های زمانی برای عملکرد بریکرهای جریان باقی مانده
| زمان عملکرد در \(I_{\mathrm{\Delta }N}\) |
تیپ بریکر |
| حداکثر 300 میلی‌ثانیه | تیپ G یا جنرال |
| حداکثر 500 میلی‌ثانیه | تیپ S یا سلکتیو |
| حداقل 130 میلی‌ثانیه |
بسیار عالی ممنون از زحمات شما
سپاس از نظر لطف و همراهی شما