ترانس کوربالانس چیست؟

در این مقاله پس از معرفی اجزای RCD، به بررسی ترانس کوربالانس و روش های نصب آن می پردازیم.

نحوه عملکرد

تمام تجهیزات جریان باقی مانده حداقل از دو بخش سنسور و رله ی اندازه گیری تشکیل شده اند. سنسور و رله می توانند به صورت مجزا و یا در یک قالب قرار داشته باشند. برخی از تجهیزات دارای بخش های دیگر مانند کنتاکت های قدرت، لوازم جانبی و غیره نیز هستند. به صورت ساده دو بخش هر RCD را می توان اینگونه تعریف کرد:

سنسور

سنسور باید توانایی تولید سیگنال الکتریکی داشته باشد. سیگنال الکتریکی خروجی سنسور هنگامی ایجاد می شود که جمع جریان های موجود در هادی های برقدار صفر نباشد. در مدارهای مختلف از سنسورهای متنوعی استفاده می شود. برخی از سنسورها داخل RCD بوده و برخی به صورت مجزا نصب می شوند.

رله ی اندازه گیری

رله دائما سیگنال تولید شده توسط سنسور را با مقدار تعیین شده مقایسه می کند. در صورت عبور سطح سیگنال سنسور از مقدار آستانه ی عملکرد یا Setpoint، فرمان تریپ ارسال خواهد شد. فرمان تریپ باعث قطع یا باز شدن کنتاکت های کلید یا بریکر مربوطه می شود. تاکید می شود که جداکننده باید توانایی قطع حداکثر جریان خطای ممکن را داشته باشد.

در برخی مدل ها ممکن است بین رسیدن سیگنال به آستانه ی عملکرد و صدور فرمان قطع، یک زمان تاخیر عمدی وجود داشته باشد. زمان تاخیر در عملکرد RCD ها به سه گروه آنی، ثابت و قابل تنظیم تقسیم می شود. عملکرد آنی به معنی عدم وجود زمان تاخیر بین رسیدن سیگنال خطا به آستانه ی عملکرد و صدور فرمان است. از RCD با عملکرد آنی در مدارهای نهایی و به منظور حفاظت افراد در برابر تماس مستقیم و غیر مستقیم استفاده می شود.

زمان تاخیر ثابت مربوط به تجهیزات تیپ S یا سلکتیو است. زمان تاخیر در ادوات تیپ S قابل تنظیم نمی باشد. زمان قابل تنظیم در اغلب رله های مجزا وجود دارد. قابلیت تنظیم زمان تاخیر به منظور هماهنگی RCD های بالا دست با تجهیزات تیپ S یا آنی نصب شده در پائین دست می باشد. واحد صادر کننده ی فرمان قطع  با عنوان واحد تریپ یا محرک نیز شناخته می شود. در تصویر زیر اجزای یک RCD الکترونیک را مشاهده می کنید.

تصویر 1 دیاگرام عملکردی یک RCD الکترونیک با منبع تغذیه ی جانبی

انواع سنسور

در مدارهای متناوب اغلب از ترانس حلقوی و ترانس جریان به عنوان سنسور استفاده می شود. ترانس حلقوی یا کوربالانس رایج ترین مدل اندازه گیری جریان نشتی در سطح فشار ضعیف است. در سطوح ولتاژی بالاتر مانند فشار متوسط و فشار قوی معمولا از ترانس جریان به منظور شناسایی جریان نشتی استفاده می شود.

ترانسفورماتور کوربالانس

ترانس کوربالانس روی تمام هادی های برقدار مدار قرار گرفته و توسط میدان مغناطیسی ناشی از جریان باقی مانده تحریک می شود. میدان مغناطیسی جریان باقی مانده حاصل جمع برداری جریان تمام هادی های فاز و هادی نول است. توجه داشته باشید که ممکن است هادی نول در برخی از مدارها وجود نداشته باشد. عدم وجود هادی نول باعث اختلال در عملکرد سیستم های حفاظتی مربوط به مدارهای سه فاز و سه سیمه نمی شود. پدیده ی القا در ترانس حلقوی باعث به وجود آمدن سیگنال الکتریکی در مدار ثانویه ی آن خواهد شد. به عبارت دیگر، وجود سیگنال الکتریکی در سیم پیچ ثانویه ی ترانس حلقوی به معنی وجود جریان باقی مانده در مدار است. از ترانس حلقوی به منظور اندازه گیری جریان باقی مانده از چند میلی آمپر تا چند ده آمپر استفاده می شود.

تصویر 2 ترانس کوربالانس

ترانسفورماتور جریان

جهت اندازه گیری جریان باقی مانده در یک مدار سه فاز و سه سیمه می توان از سه ترانس جریان و یک RCD استفاده کرد. نحوه ی نصب ترانس های جریان و سیم بندی سیم پیچ ثانویه ی آن ها در تصویر نمایش داده شده است. سیم پیچ ثانویه ی ترانس های جریان در این طرح به صورت موازی به یکدیگر متصل خواهند شد. جریان عبوری از هادی قرار گرفته بین نقطه ی A و B حاصل جمع برداری جریان مدار است. به عبارت دیگر صفر نشدن جمع برداری جریان سه فاز باعث عبور جریان از نقطه ی A به B می شود.

عبور جریان از این نقطه به معنی وجود جریان باقی مانده در مدار است. طرح حفاظتی زیر به مدار نیکلسون معروف بوده و هنگامی استفاده می شود که جریان خطای زمین می تواند به چند ده یا حتی چند صد آمپر برسد. جریان خطای زمین در تاسیسات فشار متوسط و فشار قوی بالا بوده و در این تاسیسات اغلب از مدار نیکلسون استفاده می شود.

تصویر 3 مجموع برداری جریان فازها تعیین کننده ی میزان جریان باقی مانده در مدار است.

هنگام استفاده از مدار نیکلسون باید به کلاس دقت ترانس های جریان توجه کنید. به عنوان مثال توصیه شده است که در ترانس های جریان با دقت 5 درصد، حفاظت زمین را کمتر از 10 درصد جریان نامی آن ها تنظیم نکنید. مقدار 10 درصد در استاندارد تاسیسات فشار قوی NFC13-200 دسامبر 1989 تعیین شده است.

روش های نصب سنسور RCD

به منظور اندازه گیری جریان نشتی و حفاظت سیستم در برابر خطای عایقی و خطای زمین می توان از روش های مختلفی استفاده کرد. انتخاب روش و تجهیزات اندازه گیری بر اساس توان مدار، سطح ولتاژ، حساسیت آن و غیره انجام می شود. در این قسمت برخی از موارد خاص در حفاظت مدار در برابر خطای زمین شرح داده شده است.

نصب ترانس کوربالانس در منبع تغذیه با توان بالا

در انتقال توان های بالا از کابل ها و شینه های پارالل استفاده می شود. پروسه ی حفاظت در برابر نشتی جریان با افزایش تعداد و سطح مقطع هادی ها، پیچیده و دشوار می شود. در انتقال جریان های بسیار بالا با سطح ولتاژ فشار ضعیف می توان از مدار نیکلسون با ترانس های جریان پارالل استفاده کرد. مشکل اصلی این مدار حساسیت آن در برابر جریان نشتی است. استفاده از مدار نیکلسون برای حفاظت افراد حتی با تنظیمات مطابق با \(I\Delta n\le \frac{Ul}{Ru}\) مجاز نیست.

برای رفع این مشکل با توجه به نوع تاسیسات و محل نصب تجهیزات حفاظتی چند راه حل وجود دارد. در درجه ی اول توصیه می شود از ترانس های بزرگ و مستطیل شکل استفاده کنید. در صورت عدم امکان نصب ترانس های مستطیل شکل در ورودی تابلوی اصلی یا پس از ترانسفورماتور قدرت می توانید از این روش ها استفاده کنید:

• طبق تصویر می توان از یک ترانس جریان حلقوی یا Toroid روی هادی نوترال ترانسفورماتور قدرت و قبل از اتصال آن به الکترود زمین استفاده کرد. نصب ترانس در این نقطه مطابق با قانون گره ی کیرشهف یا Krichhoff node law است. طبق این قانون؛ میزان جریان نشتی اندازه گیری شده هنگام رخ دادن خطا در تاسیسات فشار ضعیف با ترانس نقطه ی N، دقیقا مشابه با مقدار اندازه گیری شده با ترانس نقطه ی G است.

تصویر 4 ترانس N اطلاعاتی مشابه با ترانس G ارائه می کند.

• روش دیگر استفاده از ترانس حلقوی یا Toroid روی خروجی های تابلوی اصلی یا پاور سنتر است. این طرح در تابلوهای اصلی با تعداد خروجی محدود انجام می شود. طبق تصویر، ثانویه ی ترانس ها با یکدیگر پارالل شده و در نهایت به یک رله متصل خواهند شد. اتصال موازی ترانس ها، تصویری از جمع برداری جریان های ورودی به تابلو را ترسیم می کند. امروزه رله های RCD الکترونیک بوده و به سیگنال بسیار ضعیفی برای عملکرد نیاز دارند. ترانس های موجود در خروجی ها به عنوان مولد جریان عمل کرده و رخ دادن خطا در شبکه ی توزیع را به رله مخابره می کنند. رله با دریافت سیگنال جریان خطا باعث قطع بریکر اصلی تابلو خواهد شد. طرح فوق در استانداردهای مربوط به تاسیسات الکتریکی آمده ولی تائید شرکت های سازنده ی RCD جهت استفاده در آن ارجحیت دارد. بعلت ایجاد هماهنگی و کاهش قطعی ها توصیه می شود در هر خروجی از یک RCD مجزا استفاده شود.

تصویر 5 نصب ترانس روی خروجی ها و اتصال موازی ثانویه ی آن ها به یک رله ی RCD، مشابه با نصب یک رله روی ورودی اصلی تابلو است.

در بسیاری از موارد تعداد کابل های موازی ورودی یا خروجی تابلو زیاد بوده و نمی توان تمام آن ها را از داخل یک ترانس عبور داد. در چنین شرایطی می توان از چند ترانس استفاده کرده و ثانویه ی آن ها را موازی کرد. در تصویر روش استفاده از دو ترانس برای کابل های تک هسته ای و موازی در مدار سه فاز و سه سیمه شرح داده شده است. در این طرح هر ترانس حامل یک رشته از هادی های فاز 1 و 2 و 3 بوده و در نهایت ثانویه ی آن ها با یکدیگر پارالل شده است.

تصویر 6 روش نصب ترانس های حلقوی با اتصال موازی روی کابل های تک هسته با سطح مقطع بالا

هنگام استفاده از طرح فوق این موارد را مد نظر داشته باشد:

• طبق تصویر قبل، هر ترانس n دور را تشخیص داده و حساسیت طرح حفاظتی ممکن است در اتصال کوتاه کاهش پیدا کند.
• اگر اتصالات باعث تفاوت امپدانس شود، هر ترانس یک جریان توالی-صفر کاذب یا غلط را نشان خواهد داد. این خطا با سیم بندی صحیح به صورت قابل توجهی کاهش پیدا می کند.
• مدار فوق به ترانس هایی اشاره می کند که ثانویه ی آن ها با پایانه های S1 و S2 مشخص شده است. نام گذاری این پایانه ها بر اساس جهت جاری شدن انرژی انجام می شود. استفاده از طرح حفاظتی فوق نیاز به تائید سازنده ی RCD دارد.

نصب ترانس کوربالانس در خروجی های با توان بالا

جهت اطمینان از پاسخ خطی و قابل اعتماد ترانس Toroid، هادی های برقدار باید تا حد ممکن در مرکز حلقه قرار بگیرند. با قرار دادن هادی های برقدار در وسط ترانس، اثرات مغناطیسی آن ها در غیاب جریان باقی مانده کاملا خنثی خواهد شد. در حقیقت میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط هادی با توجه به فاصله کاهش پیدا می کند. برای درک بهتر این موضوع به تصویر توجه کنید. در این حالت فاز 3 از هادی های دیگر فاصله گرفته و در مرکز ترانس قرار ندارد. هادی فاز 3 در نقطه ی A یک اشباع مغناطیسی موضوعی ایجاد می کند. این پدیده باعث کاهش عملکرد مناسب طرح حفاظتی خواهد شد.

تصویر 7 قرارگیری اشتباه هادی ها در مرکز ترانس باعث ایجاد اشباع مغناطیسی موضعی در نقطه ی A که ممکن است باعث تریپ بی مورد یا عملکرد اشتباه شود.

این پدیده هنگام نصب ترانس در نزدیکی خم کابل ها یا روی آن نیز رخ می دهد. قرارگیری ترانس در این حالت باعث القای جریان باقی مانده سرگردان در آن خواهد شد. در جریان های بالا، مقدار القا به حدی زیاد شده که باعث تولید سیگنال خطا در ثانویه ی ترانس و صدور فرمان تریپ توسط رله می شود. در بسیاری از موارد آستانه ی عملکرد رله افزایش داده شده تا تریپ بی مورد رخ ندهد. تغییر در تنظیمات RCD و انطباق آن با جریان نرمال هادی های برقدار بعلت نصب غلط ترانس، باعث افزایش ریسک خطر هنگام رخ دادن خطا می شود. در تصویر روش نصب ترانس پس از خم کابل ها نمایش داده شده است. با رعایت فاصله می توان از تریپ های بی مورد جلوگیری کرد.

تصویر 8 جهت جلوگیری از عملکرد بی مورد باید ترانس به اندازه ی کافی از خم کابل ها فاصله داشته باشد.

در شرایط ایجاد کننده ی مشکل مانند تریپ های ناخواسته یا بی مورد بعلت جریان باقی مانده ی بالا در حداکثر جریان فاز از دو راه حل زیر استفاده می شود:

• استفاده از ترانس حلقوی با ابعاد بسیار بزرگتر از اندازه ی مورد نیاز: به عنوان مثال انتخاب ترانس با قطر 2 برابر اندازه ای که برای عبور هادی ها مناسب است.
• قرار دادن پوشش داخل ترانس: پوشش داخل ترانس باید از جنس مواد مغناطیسی بوده تا میدان ناشی از هادی ها را یکنواخت کند. در تصویر روش استفاده از پوشش با جنس آهن مغناطیسی نرم را مشاهده می کنید.

تصویر 9 قرار دادن پوشش مغناطیسی روی هادی ها و داخل ترانس باعث کاهش ریسک تریپ ناخواسته بعلت جریان بالای هادی ها در شرایط نرمال می شود.

هنگامی که تمام موارد احتیاطی فوق یعنی قرار دادن هادی ها در مرکز ترانس، استفاده از ترانس بزرگتر و پوشش مغناطیسی انجام شد، ممکن است نسبت \(\frac{max.\ I\ phses}{I\Delta n}\) به 50000 برسد.

نصب ترانس کوربالانس روی کابل های چند رشته با ارت

موضوع مهم هنگام نصب ترانس کوربالانس روی کابل های چند رشته، توجه به هادی حفاظتی یا PE است. تاکید می شود که هادی حفاظتی هرگز نباید از داخل ترانس کوربالانس عبور کند. در تصویر روش های صحیح نصب ترانس کوربالانس روی کابل چند رشته به همراه هادی حفاظتی نمایش داده شده است.

تصویر 10 نصب ترانس کوربالانس روی کابل چند رشته با هادی ارت

طبق تصویر می توان پوشش کابل را برداشته و هادی حفاظتی را از خارج ترانس کوربالانس عبور داد. روش دیگر عبور کابل به همراه هادی حفاظتی از داخل ترانس و برگشت مجدد آن است. در این حالت هادی حفاظتی خم شده و مجدد از داخل ترانس عبور می کند. رفت و برگشت هادی حفاظتی از داخل ترانس باعث از بین رفتن تاثیر آن در عملکرد رله خواهد شد.

استفاده از RCD با ترانس کوربالانس داخلی

استفاده از RCD با ترانس داخلی یک راه حل آماده برای پیمانکاران و بهره برداران است. در این حالت تمام مطالعات فنی و تست ها توسط شرکت سازنده انجام شده و نیازی به محاسبات و رعایت شرایط نصب فیزیکی هادی ها نیست. شرکت سازنده هنگام ساخت  RCD و با توجه به مشکل قرارگرفتن هادی ها در مرکز ترانس، از توزیع یکنواخت هادی ها در Toroid استفاده می کند. اینکار با چرخش چند دور هادی های برقدار به صورت منظم روی محیط ترانس صورت می گیرد. توزیع یکنواخت هادی ها باعث عملکرد سیستم در جریان های بسیار پائین نیز می شود. از طرفی به منظور به حداکثر رساندن انرژی اندازه گیری شده و به حداقل رساندن حساسیت نسبت به القای سرگردان در جریان های بالا، از ترانس با سطح بالاتری از عملکرد استفاده می شود.