حفاظت الکتریکی چیست؟

حفاظت الکتریکی به منظور جلوگیری از خطا و کاهش پیامدهای خطا طراحی می‌شود. حفاظت الکتریکی را می‌توان به گروه‌های پیشگیرانه و خودکار تقسیم کرد. حفاظت الکتریکی پیشگیرانه مجموعه اقداماتی است که برای جلوگیری از رخ دادن حادثه‌ی الکتریکی طراحی می‌شوند. حفاظت‌های پیشگیرانه در تجهیزات و تاسیسات اجرا شده ولی صددرصد تضمین کننده و کافی نیستند. در تاسیسات همواره خطر رخ دادن خطای الکتریکی به شکل‌های مختلف وجود دارد. جهت کسب اطلاعات بیشتر مقاله ی خطای الکتریکی چیست را مطالعه کنید.

جهت کاهش صدمات ناشی از حادثه الکتریکی از حفاظت الکتریکی خودکار استفاده می‌شود. حفاظت الکتریکی خودکار با شروع حادثه وارد عمل شده و سعی می‌کند تا خسارت‌ها را کاهش دهد. سیستم‌های حفاظتی مناسب ترکیبی از روش‌های پیشگیرانه و عملکرد خودکار هستند. در ادامه بیشتر با حفاظت الکتریکی و اصول حفاظت الکتریکی آشنا خواهید شد. در مقاله ی بعد انواع حفاظت الکتریکی را به صورت کامل معرفی کرده و شرح خواهیم داد.

حفاظت الکتریکی پیشگیرانه

حفاظت الکتریکی پیشگیرانه اغلب مربوط به تماس مستقیم انسان و حیوانات با شبکه‌های الکتریکی است. به عنوان مثال قرار دادن تمام بخش‌های برقدار در محفظه‌های عایق، قرار دادن بخش‌های برقدار خارج از دسترس و قرار دادن مانع برای تماس با بخش‌های برقدار را در نظر بگیرید. این روش‌ها برای جلوگیری از تماس مستقیم و رخ دادن حادثه‌ی الکتریکی طراحی شده اند.

برخی از سیستم‌های ایمنی مانند سیستم ارت نیز حالت پیشگیرانه دارند. با احداث سیستم ارت یک مسیر مناسب برای انتقال انرژی ناشی از خطا به زمین طراحی می‌شود. اتصال سیم ارت به بدنه‌ی تجهیزات باعث انتقال انرژی الکتریکی به زمین هنگام رخ دادن خطا می‌شود. انتقال انرژی به سمت زمین یک روش مناسب جهت جلوگیری از ایجاد ولتاژ تماس و کاهش خطر برقگرفتگی است.

تصویر 1 ولتاژ تماس و ولتاژ گام

حفاظت الکتریکی خودکار

حفاظت الکتریکی خودکار به معنی شناسایی خطای الکتریکی، پاسخ صحیح و اتوماتیک به آن است. حفاظت الکتریکی خودکار اغلب با عنوان جداسازی اتوماتیک نیز شناخته می‌شود. جداسازی اتوماتیک به معنی قطع جریان الکتریکی و کنترل پیامدهای حادثه است. حفاظت الکتریکی خودکار شاخه‌های مختلفی مانند حفاظت در برابر شوک الکتریکی، حفاظت در برابر آتش سوزی و حفاظت در برابر آسیب به تجهیزات دارد.

روش‌های شناسایی خطا

با رخ دادن خطای الکتریکی به صورت مستقیم یا غیر مستقیم، برخی از پارامترهای مدار از محدوده‌ی مجاز خارج می‌شوند. محدوده‌ی مجاز می‌تواند به صورت کاهش، افزایش یا هردو باشد. برای شناسایی خطاهای الکتریکی کافی است پارامترهای مهم مدار یا آثار مربوط به آن‌ها را اندازه‌گیری کرده و با مقادیر مجاز مقایسه کرد. پروسه‌ی اندازه‌گیری و مقایسه با مقدار مرجع باید به صورت دائم در مدار انجام شود. شناسایی خطای الکتریکی می‌تواند به صورت حرارتی، مغناطیسی، غیر خطی و توسط تجهیزات الکترونیک انجام شود.

حفاظت حرارتی و مغناطیسی

حفاظت‌های حرارتی و مغناطیسی بر اساس اثر عبور جریان از مدار عمل می‌کنند. حفاظت دوفلزی یا حرارتی برای شناسایی خطای اضافه بار و حفاظت مغناطیسی برای شناسایی خطای اتصال کوتاه طراحی شده است. از این روش در بی متال‌ها و بریکرهای فشار ضعیف با آمپراژ محدود استفاده می‌شود. حفاظت حرارتی و مغناطیسی قادر به شناسایی پارامترهای ولتاژی، فرکانسی و جهت‌دار نیستند. ساختمان و عملکرد تجهیزات حفاظتی حرارتی و مغناطیسی در مقالات بعدی بررسی خواهد شد.

تصویر 2 واحد حرارتی-مغناطیسی بریکر کامپکت

ادوات غیر خطی

ادوات غیر خطی بیشتر در تجهیزات حفاظت ولتاژ صاعقه و سوئیچینگ استفاده می‌شوند. این ادوات در مقابل ولتاژ نرمال شبکه پایدار بوده و جریانی را از خود عبور نمی‌دهند. با رخ دادن اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه یا سوئیچینگ، مقاومت این ادوات کاهش پیدا کرده و جریان را به سمت زمین هدایت می‌کنند. هدایت جریان به سمت زمین باعث کاهش شدید ولتاژ و جلوگیری از آسیب به تجهیزات می‌شود.

تصویر 3 سرج کلاس B بعلاوه ی کلاس C

حفاظت الکترونیک

در این روش از ادوات الکترونیک برای اندازه‌گیری پارامترهای مهم و مقایسه با مقدار مرجع استفاده می‌شود. تجهیز الکترونیک که یک یا چند پارامتر را اندازه‌گیری کرده و در بخش حفاظت به کار برده می‌شود، اصطلاحا رله حفاظتی نام دارد. رله‌ی حفاظتی می‌تواند یک رله‌ی اضافه بار ساده برای الکتروموتور فشار ضعیف یا یک رله‌ی مولتی فانکشن پیچیده برای حفاظت خطوط فشار قوی باشد. رله‌های الکترونیک از نظر ساختمان به گروه‌های SSR و دیجیتال تقسیم می‌شوند. رله‌های الکترونیک از نظر روش کار، کمیت یا کمیت‌های قابل شناسایی، روش اتصال، تنظیمات، زمان عملکرد و غیره در مدل‌های بسیار متنوعی ساخته می‌شوند.

پاسخ به خطا

پاسخ سیستم‌های حفاظتی با توجه به مکانیزم آن تعیین می‌شود. به عنوان مثال عبور جریان بیش از حد از بخش بی متال یا دو فلزی باعث خم شدن آن می‌شود. سرعت خم شدن بخش دو فلزی به میزان جریان عبوری و زمان آن بستگی دارد. در صورت تداوم عبور جریان از بخش دو فلزی، فرمان قطع صادر خواهد شد. عملکرد حفاظت دو فلزی اصطلاحا زمان-معکوس می‌باشد.

بخش مغناطیسی دارای عملکرد آنی است. با رسیدن جریان به آستانه‌ی تحریک بخش مغناطیسی، فرمان قطع بلافاصله صادر می‌شود. بخش حرارتی و مغناطیسی بسیار ساده بوده و تنظیمات زیادی ندارند. این المان‌ها داخل تجهیزات حفاظتی قرار داشته و فرمان قطع را به صورت مستقیم صادر می‌کنند.

امروزه برای دست‌یابی به حفاظت‌های پیشرفته از ادوات الکترونیک استفاده می‌شود. رله‌های الکترونیک از نظر عملکرد بسیار متنوع هستند. این رله‌ها می‌توانند کمیت‌های ورودی و پارامترهای تنظیمی زیادی داشته باشند. ولتاژ، جریان و پارامترهای وابسته به آن‌ها مانند فرکانس، اختلاف فاز، گشتاور و غیره از کمیت‌های قابل اندازه‌گیری توسط رله‌های الکترونیک است. در صورت عبور کمیت متصل شده به رله از مقدار مجاز، سیستم حفاظتی الکترونیک فعال شده و وارد مرحله‌ی بعد می‌شود. مرحله‌ی بعد می‌تواند صدور آلارم، شروع زمان سنجی یا صدور فرمان قطع باشد. خروجی رله‌ی الکترونیک از نظر زمان ممکن است با وقفه‌ی ثابت، معکوس یا آنی باشد.

تصویر 4 رله ی حفاظتی SEL

ترانس ولتاژ و جریان

قسمت‌های حرارتی و مغناطیسی به صورت مستقیم در مدار قرار می‌گیرند. به عنوان مثال بخش دو فلزی یا بی متال در تجهیزات اضافه بار و بریکرهای فشار ضعیف وجود داشته و تمام جریان بار از آن عبور می‌کند. قسمت مغناطیسی نیز مانند بخش حرارتی بوده و حامل جریان است. این ادوات اصطلاحا حفاظت اولیه یا پرایمری نامیده می‌شوند. صدور فرمان قطع توسط ادوات پرایمری به صورت مکانیکی انجام می‌شود. در برخی از ادوات حفاظت پرایمری مانند رله‌های اضافه بار از حرکت مکانیکی برای تغییر وضعیت یک کنتاکت استفاده می‌شود. در خصوص حفاظت پرایمری استثناهایی وجود دارد که بیشتر آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

اندازه‌گیری در رله‌های الکترونیک با مدل‌های پرایمری یا حرارتی-مغناطیسی متفاوت است. این رله‌ها با توجه به نوع حفاظت دارای چند کانال ورودی ولتاژ یا جریان یا هردو هستند. ورودی‌های ولتاژ رله‌های الکترونیک در سطح فشار ضعیف به صورت مستقیم سیم‌بندی می‌شود. به عنوان مثال یک کنترل ولتاژ را در نظر بگیرید. این رله‌ی ولتاژی به صورت مستقیم به شبکه‌ی فشار ضعیف متصل خواهد شد. رله‌های ولتاژی فشار ضعیف می‌توانند تکفاز یا سه فاز باشند.

اندازه‌گیری جریان توسط رله‌های الکترونیک کمی پیچیده‌تر از اندازه‌گیری ولتاژ است. اندازه‌گیری جریان فشار ضعیف در مقادیر پائین به صورت مستقیم انجام می‌شود. برای اینکار بخش اندازه‌گیری بین هادی حامل جریان قرار می‌گیرد. در جریان‌های بالا این روش امکان پذیر نبوده و باید از ترانس جریان یا CT استفاده شود. CT روی هادی حامل جریان قرار گرفته و جریان عبوری از آن را با یک نسبت تبدیل ثابت کاهش می‌دهد. هر ترانس جریان دارای دو خروجی با عنوان بخش ثانویه است. ثانویه‌ی ترانس جریان به رله‌ی الکترونیک متصل شده و جریان کاهش یافته را به آن منتقل می‌کند.

در سطوح ولتاژی بالاتر از فشار ضعیف از ترانس ولتاژ و ترانس جریان به صورت همزمان استفاده می‌شود. ترانس ولتاژ نیز مانند ترانس جریان با یک نسبت ثابت مقدار ورودی را کاهش می‌دهد. ترانس‌های ولتاژ و جریان در شکل‌های بسیار متنوعی ساخته می‌شوند. این ادوات در بخش‌های بعدی بیشتر بررسی می‌شوند.

تصویر 5 ترانسفورماتور جریان

حفاظت خودکار از نظر زمان

حفاظت یا جداسازی خودکار از نظر زمان عملکرد به دو گروه حفاظت زمان‌دار و حفاظت آنی تقسیم می‌شود. زمان عملکرد به نوع تاسیسات و پارامتر الکتریکی تحت حفاظت بستگی دارد. در اغلب سیستم‌های حفاظتی از دو روش حفاظت زمان‌دار و حفاظت آنی به صورت همزمان استفاده می‌شود.

حفاظت زمان دار

خطای الکتریکی به معنی خارج شدن پارامترهای حساس از محدوده‌ی مجاز است. برخی از این تغییرات به سرعت باعث خرابی نشده ولی باید در زمان مجاز کنترل شوند. از حفاظت‌های تاخیری یا زمان‌دار می توان به اتصال کوتاه در شرایط خاص، اضافه بار، کاهش ولتاژ، افزایش ولتاژ و غیره اشاره کرد. در این روش سیستم خطا را شناسایی کرده ولی منتظر می‌ماند. در صورت نرمال شدن پارامترهای الکتریکی قبل از پایان زمان سنجی، حفاظت زمان‌دار ریست خواهد شد. در صورت ادامه داشتن خطا و پایان زمان مجاز، فرمان جداسازی صادر می‌شود.

حفاظت‌های زمان‌دار جهت جلوگیری از تریپ‌های بی مورد و عملکرد تجهیزات حفاظتی پائین دست طراحی شده اند. حفاظت‌های زمان‌دار الکترونیک اغلب به سیستم‌های هشداری مجهز هستند. بخش هشداری به معنی صدور آلارم هنگام رخ دادن تغییرات در پارامترهای الکتریکی و قبل از جداسازی اتوماتیک است. سیستم‌های هشدار می‌توانند از رخ دادن حادثه‌های سنگین جلوگیری کنند. برای کسب اطلاعات در این خصوص به کتاب طرح های ارتینگ و RCD و بخش رله‌های مانیتورینگ عایقی مراجعه کنید.

حفاظت زمان‌دار به دو شکل زمان ثابت و زمان-معکوس قابل انتخاب است. زمان ثابت دارای یک وقفه‌ی قابل تنظیم ولی بدون وابستگی به میزان پارامتر الکتریکی است. در این حالت با عبور پارامتر الکتریکی از محدوده‌ی مجاز، زمان سنجی انجام شده و فرمان تریپ صادر می‌شود. حفاظت زمان ثابت می‌تواند از چند صدم ثانیه تا چند دقیقه باشد. از حفاظت زمان ثابت برای حفاظت در برابر خطاهای ولتاژی، فرکانسی و برخی خطاهای جریانی مانند اضافه بار و خطای زمین استفاده می‌شود. در تصویر منحنی عملکرد بریکر با زمان ثابت در برابر خطای زمین را مشاهده می‌کنید.

تصویر 6 وقفه ی ثابت در عملکرد بریکر هنگام رخ دادن خطای زمین

در مدل زمان-معکوس، میزان زمان تاخیر، به شدت تغییرات پارامتر الکتریکی بستگی دارد. به عبارت دیگر با افزایش بیشتر پارامتر، زمان تاخیر کمتر خواهد شد. مدل زمان-معکوس اغلب برای حفاظت جریان در نظر گرفته شده و دو نوع حرارتی و الکترونیک دارد. رابطه‌ی جریان و زمان در مدل‌های حرارتی یا دوفلزی ثابت و غیر قابل تنظیم است. این رابطه ممکن است با توجه به شرایط محیطی مانند دما کمی تغییر کند. رله‌های الکترونیک با قابلیت حفاظت زمان-معکوس در مقایسه با بخش حرارتی مزایای زیادی دارد. از مزایای حفاظت جریانی زمان-معکوس الکترونیک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• وابستگی زمان به میزان جریان خطا: هرچقدر جریان خطا بیشتر باشد، زمان جداسازی کمتر خواهد بود.
• هماهنگی حفاظتی: با حفاظت زمان-معکوس می‌توان ادوات حفاظتی بالادست و پائین دست را با یکدیگر هماهنگ کرد.
• انتخاب نوع منحنی: در رله‌های پیشرفته می‌توان نوع منحنی را بر اساس استانداردهای مختلف انتخاب کرد.
• عدم تاثیر محیطی: رله‌های الکترونیک به شرایط محیطی مانند دما وابسته نیستند.
• راه اندازی مجدد: رله‌های الکترونیک بلافاصله پس از خطا، قابلیت ریست و راه اندازی مجدد دارند.

منحنی‌های زمان-معکوس با توجه به نوع کاربری و استاندارد متفاوت هستند. در تصویر یک منحنی زمان معکوس SI از استاندارد IEC را مشاهده می کنید.

تصویر 7 منحنی IEC-SI

حفاظت آنی

برخی از خطاهای الکتریکی مانند اتصال کوتاه پیامدهای سنگینی در پی دارند. اینگونه خطاهای مخرب باید به سرعت شناسایی شده و از شبکه‌ی سالم جدا شوند. برای جداسازی خطاهای مخرب از حفاظت آنی استفاده می‌شود. حفاظت آنی هیچ گونه زمان سنجی نداشته و بلافاصله وارد عمل می‌شود. حفاظت آنی جریان ممکن است به صورت مغناطیسی، لینک ذوب شونده و یا توسط رله‌های الکترونیک انجام شود. در تصویر منحنی عملکرد یک بریکر مغناطیسی در برابر اتصال کوتاه را مشاهده می‌کنید.

تصویر 8 منحنی عملکرد بریکر مغناطیسی

حفاظت ترکیبی

یک سیستم حفاظتی مناسب ترکیبی از چند پارامتر و چند نوع زمان سنجی است. به عنوان مثال بریکرها یا رله‌های الکترونیک می‌توانند دارای حفاظت جریانی زمان-معکوس، با وقفه‌ی کوتاه و آنی باشند. هر یک از این بخش‌ها یک نقش مجزا داشته و سیستم حفاظتی را منعطف و قابل اطمینان می‌کنند. در تصویر منحنی عملکرد یک بریکر فشار ضعیف را مشاهده می‌کنید. این منحنی رابطه‌ی عملکرد بریکر با جریان را بیان می‌کند.

تصویر 9 منحنی عملکرد بریکر فشار ضعیف

بخش‌های منحنی فوق عبارتنداز:

1. تنظیم جریان اضافه بار
2. تنظیم زمان اضافه بار
3. تنظیم جریان خطا با وقفه‌ی کوتاه
4. تنظیم زمان خطا با وقفه‌ی کوتاه
5. تنظیم جریان با عملکرد آنی
6. T1 تنظیم جریان خطای زمین
7. T2 تنظیم زمان خطای زمین

جداسازی

فرمان جداسازی با توجه به نوع پارامتر و میزان آن توسط انواع کلید یا بریکر اجرا می شود. کلید یا بریکر با دریافت فرمان بلافاصله باز شده و جریان الکتریکی را قطع می‌کند. فرمان جداسازی به کلید یا بریکر اصطلاحا تریپ نامیده می‌شود. فرمان تریپ می‌تواند به صورت داخلی یا توسط رله‌های خارجی صادر شود.

تفاوت کلید و بریکر در توانایی قطع و وصل جریان خطا است. کلیدها هنگام رخ دادن خطاهای اضافه بار، خطای ولتاژی یا فرکانسی می‌توانند قطع شوند ولی توانایی قطع جریان اتصال کوتاه را ندارند. برای جداسازی خودکار هنگام رخ دادن اتصال کوتاه از بریکر به شکل‌های مختلف استفاده می‌شود. بریکرها می توانند جریان‌های اضافه بار و اتصال کوتاه را قطع و وصل کنند.

تصویر 10 بریکر NSX1200 اشنایدر

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.