خطای الکتریکی

خطای الکتریکی چیست؟

شناخت خطای الکتریکی اولین گام در طراحی سیستم‌های حفاظتی است. در مقاله ی مدار الکتریکی و اجزای آن مشاهده کردید که یک شبکه ی الکتریکی DC و AC چه پارامترهایی دارد. پارامترهای الکتریکی را می‌توان به گروه‌های اصلی و زیر مجموعه‌ی آن‌ها تقسیم کرد. خارج شدن هر یک از پارامترهای الکتریکی از محدوده‌ی مجاز می تواند یک خطای الکتریکی باشد.

خارج شدن پارامترها از محدوده‌ی مجاز ممکن است علت‌های مختلفی داشته باشد. به عنوان مثال اشکال مستقیم در تاسیسات الکتریکی یا رخ دادن حادثه در بخش مکانیک یا خطای انسانی و غیره می تواند پارامترهای الکتریکی را از محدوده‌ی مجاز خارج کند. صرف نظر از علت خارج شدن پارامترهای الکتریکی از محدوده‌ی مجاز، باید آن‌ها را شناسایی کرده و عکس العمل صحیح را نشان داد. شناسایی خطای الکتریکی و پاسخ به آن باید به صورت اتوماتیک باشد.

اهمیت تاسیسات

نوع پارامتر الکتریکی و محدوده‌ی مجاز جهت تشخیص خطا با توجه به حساسیت تاسیسات مشخص می‌شود. به عنوان مثال تغییرات شدید و خارج از محدوده‌ی جریان، ولتاژ، فرکانس، توان، هارمونیک و غیره از انواع خطای الکتریکی هستند. خطای الکتریکی ممکن است شامل افزایش پارامتر، کاهش پارامتر و یا هردو باشد.

برای درک بهتر این موضوع خطای جریانی را تصور کنید. خطای جریانی در اغلب تاسیسات به صورت اضافه جریان لحاظ می‌شود. اضافه جریان می‌تواند صدمات جدی مانند آتش‌سوزی یا از بین رفتن تجهیزات را در پی داشته باشد. کاهش جریان باعث آتش سوزی نمی شود ولی می تواند نشانه ای از خرابی در بخش‌های دیگر باشد. به عنوان مثال قطع شدن یک فاز، پاره شدن تسمه، عملکرد بریکرهای پائین دست و غیره باعث کاهش جریان خواهند شد. شناسایی کاهش جریان، یک روش قابل اطمینان جهت تشخیص خطای الکتریکی یا مکانیکی در بخش‌های دیگر است. تغییرات دیگر پارامترها نیز به همین شکل هستند.

تصویر 1 رله ی مدیریت موتور جهت شناسایی خطاهای ولتاژ و جریانی

انواع خطا در سیستم قدرت

خطای الکتریکی با توجه به پارامتر مورد نظر تعریف می‌شود. برخی از پارامترها در تمام تاسیسات به صورت مشترک هستند. لحاظ کردن پارامترهای بیشتر برای بخش حفاظتی باعث افزایش سطح ایمنی، افزایش پیچیدگی و افزایش هزینه‌ی تمام شده‌ی سیستم حفاظتی خواهد شد. استفاده از تمام حفاظت‌های الکتریکی برای تمام تاسیسات، مقرون به صرفه و مهندسی نیست. برای طراحی یک سیستم حفاظتی مناسب باید تعادلی بین خطاهای الکتریکی و پیامدهای آن ها برقرار کنید. به صورت کلی می توان خطای الکتریکی در تاسیسات را به این صورت دسته بندی کرد:

• خطاهای جریانی
• خطاهای ولتاژی و فرکانسی
• خطاهای جریانی-ولتاژي یا چند پارامتری
• وجود هارمونیک

قابل ذکر است دسته بندی خطاهای فوق یک نظر شخصی و حاصل تجربه ی کار در زمینه ی تاسیسات LV و MV است. ممکن است دسته بندی های بیشتری برای حفاظت الکتریکی در سطوح ولتاژی بالاتر یا موارد خاص وجود داشته باشد.

خطاهای جریانی

جریان یکی از پارامترهای قابل اطمینان جهت شناسایی انواع خطای الکتریکی است. از تغییرات جریان می توان به رخ دادن پدیده‌های بسیار متنوعی پی برد. خطای جریان به شکل‌های مختلفی در تاسیسات رخ می دهد. طرح حفاظت جریانی باید بر اساس خطاهای جریانی مد نظر طراحی شود. در این بخش خطاهای جریانی ممکن، در تاسیسات الکتریکی بررسی شده است.

اضافه جریان

خطای اضافه جریان به معنی افزایش جریان مدار و خارج شدن آن از محدوده‌ی مجاز است. خطای اضافه جریان باعث تنش‌های مکانیکی و حرارتی در سیستم می‌شود. تنش‌های مکانیکی و حرارتی ناشی از اضافه جریان به نوع و میزان آن بستگی دارد. خطای اضافه جریان دارای دو زیر گروه اتصال کوتاه و اضافه بار است. جهت آشنایی بیشتر مقاله ی اضافه جریان چیست را مطالعه نمایید.

انواع خطای اتصال کوتاه با توجه به نوع شبکه تعیین می شود. به عنوان مثال حالت‌های خطای اتصال کوتاه در مدار متناوب سه فاز بیشتر از مدار جریان مستقیم است. اتصال کوتاه در مدارهای چند سیمه به صورت متقارن و غیر متقارن رخ می دهد. برای شناسایی خطای اضافه جریان از انواع فیوز، بریکر، بی متال و غیره استفاده می شود.

تصویر 2 بریکر 4 پل کامپکت اشنایدر با رله ی الکترونیک 5A

خطای زمین در برخی منابع جزء خطای اضافه جریان و در برخی منابع به صورت جداگانه دسته بندی شده است. تاکید می‌شود که رخ دادن خطای زمین در برخی از حالت ها باعث افزایش جریان نخواهد شد. برای شناخت اینگونه خطاها از تجهیزات تکمیلی مانند RCD ها استفاده می شود.

تعداد و حالت‌های خطای جریان در شبکه‌ها بسیار متنوع هستند. به عنوان مثال برخی از خطاهای اتصال کوتاه و خطاهای زمین در مدار سه فاز و چهار سیمه به این شرح هستند:

• اتصال نول به زمین
• اتصال یک فاز به نول
• اتصال یکفاز به زمین
• اتصال دوفاز
• اتصال دوفاز به نول
• اتصال دوفاز به زمین
• اتصال سه فاز
• اتصال سه فاز و نول و غیره

شبکه‌های بالاتر از فشار ضعیف اغلب به صورت سه سیمه بوده و فاقد هادی نول هستند. انواع اتصال کوتاه و خطای زمین در این شبکه‌ها عبارتنداز:

• اتصال یکفاز به زمین
• اتصال دوفاز
• اتصال دوفاز به زمین
• اتصال سه فاز
• اتصال سه فاز به زمین

برخی از خطاهای فوق به صورت متقارن و برخی به صورت نامتقارن هستند. در خطای متقارن زاویه‌ی بین جریان‌ها تغییر نمی‌کند. به عنوان مثال اتصال کوتاه سه فاز یک خطای متقارن است. اتصال کوتاه سه فاز، شدید‌ترین خطای جریانی ممکن در تاسیسات الکتریکی است. اتصال کوتاه سه فاز در صورت عدم کنترل و جداسازی خودکار باعث تنش مکانیکی، حرارت و آتش‌سوزی می‌شود.

تصویر 3 شکل موج ولتاژ و جریان ثبت شده در ریکلوزر انتک هنگام رخ دادن خطای فاز A به زمین

برخی از خطاها ضمن افزایش جریان باعث تغییر در زاویه‌ی آن خواهند شد. خطای فاز به زمین و دوفاز از این گروه محسوب می‌شوند. خطایی که باعث تغییر در زاویه‌ی جریان ها گردد با عنوان خطای نامتقارن شناخته می‌شود. امروزه جهت شبیه‌سازی و محاسبه‌ی انواع جریان اتصال کوتاه و خطای زمین از نرم افزارها استفاده می شود.

کاهش یا قطع جریان

هر مدار در حالت نرمال باید دارای مقدار مشخصی جریان باشد. برخی از حالت‌های غیر عادی می‌توانند باعث کاهش جریان شوند. در صورت کنترل کاهش جریان می‌توان به رخ دادن خطاهای زیر در مدار پی برد:

• قطع یک یا چند هادی برقدار
• عملکرد تجهیزات حفاظتی پائین دست و از دست رفتن بار
• اشکالات مکانیکی مستقیم و غیر مستقیم

تصویر 4 جابجا شدن نقطه ی نوترال بعلت قطع جریان فاز 1

خطای مدار باز

قطع هادی‌های برقدار باعث کاهش جریان، تغییر در زاویه و تغییر ولتاژ مدار می شود. قطع شدن هادی‌های برقدار با عبارت خطای مدار باز شناخته می‌شود. تغییرات ولتاژ بعلت قطع یک هادی برقدار در خطوط فشار قوی شایع‌تر است. برخی از حالت‌های قطع هادی برقدار را می‌توان از گروه خطاهای نامتقارن دانست. در مدارهای سه فاز و سه سیمه حالت‌های زیر رخ می‌دهند. این موارد با عنوان خطای مدار باز نیز شناخته می‌شوند:

• قطع یکفاز
• قطع دوفاز
• قطع سه فاز

برخی از حالت‌های ممکن در قطع هادی‌های برقدار عبارتنداز:

• قطع هادی برقدار درخطوط هوایی: پاره شدن سیم، پاره شدن ارتباط یا جمپر
• قطع هادی برقدار در خطوط زمینی: قطع یکی از هادی‌های کابل بعلت صدمه‌ی مکانیکی یا افزایش جریان
• قطع هادی برقدار بعلت از دست رفتن اتصال: اتصال سست، سوختن کابلشو و غیره

عملکرد تجهیزات حفاظتی پائین دست

عملکرد تجهیزات حفاظتی پائین دست باعث کاهش جریان مدار می‌شود. کاهش جریان در این حالت می‌تواند متقارن و نا متقارن باشد. به عنوان مثال عملکرد یک بریکر باعث قطع کامل سه فاز و کاهش جریان مدار می‌شود. مقاله ی بریکر چیست را مطالعه نمایید. برخی از تجهیزات حفاظتی مانند فیوزها به صورت انفرادی عمل می‌کنند. سوختن یکفاز فیوز در مدار سه فاز باعث کاهش جریان و عدم تعادل جریان می‌شود. فیوزها دارای لوازم جانبی متعددی برای ارسال سیگنال، باز کردن کلید و غیره هستند. فیوزها را در مقاله ی دیگری به صورت کامل شرح داده ایم.

تصویر 5 قطع یکی از فازهای ورودی به موتور

اشکالات مکانیکی

کاهش جریان می‌تواند بعلت اشکالات مکانیکی یا موارد دیگر باشد. به عنوان مثال پاره شدن تسمه، کاهش بار مکانیکی تجهیزات، خالی کار کردن الکتروپمپ و غیره می‌توانند باعث کاهش جریان دریافتی مدار شوند. در تجهیزات حساس می‌توان از ادوات حفاظت کاهش جریان استفاده کرد.

عدم تعادل جریان

جریان در برخی از مدارهای چند سیمه ممکن است نامتعادل شود. نامتعادل شدن جریان به معنی اختلاف بیش از حد استاندارد در آمپر هر هادی برقدار است. به عنوان مثال یک مدار سه فاز با جریان نرمال 100 آمپر را تصور کنید. در صورت دریافت جریان‌های 100، 80 و 50 آمپر از فازهای این مدار، حالت نامتعادلی رخ می‌دهد. نامتعادل شدن جریان در برخی موارد باعث تغییر در زاویه‌ی جریان نیز می‌شود. از علت‌های اصلی در نامتعادل شدن جریان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قطع هادی‌های برقدار
• عدم تعادل ولتاژ
• اشکال در بارهای الکتریکی مانند الکتروموتورها

جریان باقی مانده

اتصال یکی از هادی‌های برقدار به زمین باعث خارج شدن جریان از مسیر مجاز آن می شود. اتصال زمین همیشه باعث افزایش جریان نخواهد شد. درصورت پائین بودن جریان خطای زمین نمی توان از ادوات حفاظت اضافه جریان مانند فیوز و بریکر استفاده کرد. برای شناسایی خطای زمین از روش‌های مختلفی استفاده می شود. نصب انواع RCD یکی از حالت‌های شناسایی خطای زمین و جریان باقی مانده در مدار است. این تجهیزات به صورت کامل در مقاله ی دستگاه جریان باقی مانده یا RCD بررسی شده اند.

تصویر 6 رله ی RH99M اشنایدر جهت تشخیص جریان باقی مانده

خطاهای ولتاژی

تغییرات اختلاف پتانسیل یا ولتاژ نیز خطای الکتریکی محسوب می‌شود. تغییرات ولتاژ را می‌توان از نظر دامنه و زمان رخ دادن دسته‌بندی کرد. تغییرات شدید ولتاژ باعث از دست رفتن قدرت عایقی تاسیسات و رخ دادن اتصال کوتاه یا خطای زمین می‌شود. تغییرات غیر شدید باعث تغییر در میزان جریان، زاویه‌ی جریان و دمای تجهیزات خواهد شد. این پدیده در طولانی مدت مضر بوده و باید پاسخ مناسبی به آن داده شود. تغییرات ولتاژ ممکن است منشاء الکتریکی یا غیر الکتریکی داشته باشد. رخ دادن حالت‌های زیر باعث صدمه به تاسیسات خواهد شد. هر یک از این موارد تعریف خاص و روش حفاظتی مشخصی دارند:

• اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه
• اضافه ولتاژ ناشی از سوئیچینگ
• اضافه ولتاژ لحظه ای
• کاهش ولتاژ لحظه ای
• اضافه ولتاژ ماندگار
• کاهش ولتاژ ماندگار
• قطع ولتاژ کوتاه مدت
• قطع ولتاژ بلند مدت
• عدم تعادل ولتاژ

قطع ولتاژ یکی از هادی‌های برقدار در مدارهای چند سیمه، خسارت های زیادی را ایجاد می‌کند. به عنوان مثال قطع یک فاز باعث افزایش جریان در یک الکتروموتور سه فاز و از دست رفتن آن می‌شود. عدم تعادل ولتاژ نیز به همین شکل است. تغییر در میزان ولتاژ فازها یا زاویه‌ی بین آن ها باعث اختلال در عملکرد تجهیزات تکفاز و سه فاز می شود. در شبکه های متناوب دو خطای کاهش فرکانس و افزایش فرکانس نیز وجود دارد. این دو آیتم را می توان در گروه خطاهای ولتاژی قرار داده و یا به صورت مجزا بررسی کرد.

میزان ولتاژ، زاویه‌ی بین آن‌ها و فرکانس از آیتم‌های بسیار مهم در حفاظت ولتاژی محسوب می‌شوند. این موارد در برخی از تجهیزات حفاظتی ممکن است بین دو منبع مختلف نیز کنترل شود. به عنوان مثال رله‌های سنکرون میزان ولتاژ، زاویه فازها و فرکانس بین دو منبع مختلف را اندازه گیری کرده و در صورت مناسب بودن تمام این پارامترها، اجازه‌ی وصل دو منبع به یکدیگر را می‌دهند.

تصویر 7 رله کنترل فاز

خطاهای جریانی-ولتاژي

شناسایی برخی از خطاهای الکتریکی بر اساس زاویه بین ولتاژ و جریان صورت می‌گیرد. در این طرح‌های حفاظتی نیاز به دو پارامتر ولتاژ و جریان به صورت همزمان است. به عبارت دیگر ولتاژ و جریان به صورت همزمان به یک دستگاه حفاظتی متصل شده و از خروجی‌های آن در مدار استفاده می شود. حفاظت‌های ولتاژی و جریانی، در تاسیسات بسیار مهم و شبکه‌های قدرت استفاده می‌شوند. از خطاهای ولتاژی-جریانی می توان به این موارد اشاره کرد:

• انواع حفاظت توان شامل کاهش، افزایش، تغییر در دریافت و پرداخت و غیره
• حفاظت‌های جهت دار شامل حفاظت فاز، حفاظت زمین، حفاظت زمین حساس و غیره

تصویر 8 اشنایدر سری Easergy P3F30 با فانکشن های حفاظتی بسیار متنوع از جمله حفاظت های جهت دار

هارمونیک

هارمونیک پدیده ای است که باعث تغییر شکل موج ولتاژ و جریان می‌شود. تجهیزات الکترونیک قدرت از تولید کننده‌های اصلی هارمونیک محسوب می‌شوند. از هارمونیک در سیستم‌های حفاظتی به شکل‌های بسیار متنوعی استفاده می‌شود. به عنوان مثال افزایش بیش از حد هارمونیک باعث رخ دادن این موارد می‌گردد:

• افزایش دما در ترانسفورماتور، کابل ها و الکتروموتورها
• افزایش جریان هادی نول
• افزایش جریان خازن ها
• عملکرد بی مورد سیستم‌های حفاظتی مانند بریکرها

در صورت افزایش هارمونیک در مدار باید تمهیدات ویژه ای در نظر گرفته شود. از انواع رله‌های حفاظتی، پاورآنالایزرها و رگولاتورهای خازن برای شناسایی هارمونیک در مدار استفاده می‌شود. جبران سازی هارمونیک توسط انواع فیلترهای اکتیو و پسیو صورت می‌گیرد. برای جبران سازی هارمونیک باید کمیت ها به دقت اندازه گیری و تحلیل شوند.

تصویر 9 پاور آنالایزر سری A سیرکاتور

از وجود هارمونیک در برخی سیستم‌های حفاظتی جهت جلوگیری از عملکرد اشتباه نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال رله های حفاظتی فشار متوسط دارای یک فانکشن با عنوان بلاک کننده‌ی هارمونیک دوم هستنند. این فانکشن حفاظتی برای تشخیص جریان خطا از جریان راه اندازی در ترانسفورماتورها و خطوط بوده و بر اساس میزان هارمونیک ها در لحظه‌ی وصل عمل می کند.

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.