سیستم ارتینگ IT و اجرای آن
سیستم ارتینگ IT
اصول اولیه اجرای سیستم IT
در سیستم ارتینگ IT:
- تاسیسات از زمین ایزوله بوده یا نقطه ی خنثی نوترال منبع تغذیه توسط یک امپدانس بالا معمولا 1500 اهم یا بیشتر به زمین متصل شده است.
- تمام بخش های رسانای خارجی و در معرض دسترسی، توسط الکترود موجود در تاسیسات به زمین متصل می شوند.
ویژگی اصلی سیستم ارتینگ IT این است که سیستم الکتریکی پس از رخ دادن خطای فاز به زمین می تواند بدون قطعی به کار خود ادامه دهد. خطای فوق با عنوان اولین خطا شناخته خواهد شد.
مقدار جریان خطای اول در صورت اتصال نقطه ی نوترال با امپدانس بالا به زمین، به امپدانس نقطه ی نوترال و ظرفیت خازنی شبکه ی پائین دست بستگی دارد. ظرفیت خازنی شبکه ی پائین دست در سیستم IT را کابل ها، فیلترها، نشتی ها و غیره مشخص می کند.
به منظور جلوگیری از ایجاد ولتاژ خطرناک در خطای اول، باید برقراری قانون \(Id\times R_a\le 50V\) تضمین گردد. پارامتر Id در این رابطه بیان گر جریان خطای اول بوده و باید به اندازه ی کافی کوچک باشد. پس از رخ دادن خطای اول فاز به زمین می توان به سیستم اجازه ی کار داد.
در این حال شبکه به صورت معمول به کار خود ادامه داده تا بهترین موقعیت برای جدا سازی بخش معیوب و اجرای تعمیرات مهیا گردد. این روش باعث افزایش تداوم یا پیوستگی سرویس خواهد شد. در عمل سیستم ارتینگ IT برای بهره برداری رضایت بخش به شرایط خاصی نیاز دارد. از جمله موارد مهم در این زمینه عبارتند از:
- در این طرح باید نظارت دائمی بر ایزوله بودن سیستم نسبت به زمین وجود داشته باشد. تجهیزات به کار رفته در مانیتورینگ عایقی باید دارای سیگنال شنیداری یا دیداری بوده و رخ دادن اولین خطا را اعلام کنند.
- وسیله ای برای محدود کردن ولتاژی که نقطه ی نوترال ترانسفورماتور تغذیه می تواند به آن برسد. این ولتاژ نسبت به زمین اندازه گیری خواهد شد.
- پروسه ی عیب یابی و مشخص کردن محل اولین خطا توسط پرسنل تعمیر و نگهداری مجرب انجام می شود. امروزه تجهیزات خودکاری وجود دارند که مکان یابی خطا را تسهیل می کنند.
- گاهی اوقات قبل از رفع اشکال خطای اول، خطای دیگری ظاهر شده و منبع تغذیه باید بلافاصله قطع شود. در طرح ارتینگ IT باید از بریکرهای مناسب به شکل خودکار و با سرعت بالا برای قطع منبع تغذیه هنگام رخ دادن خطای دوم استفاده گردد. خطای دوم، اتصال زمین هادی های برقدار متفاوتی نسبت به خطای اول است. به عبارت دیگر خطای دوم روی هادی های برقدار دیگری در مقایسه با خطای اول تاثیر خواهد گذاشت. هادی برقدار می تواند هادی های فاز یا نول باشد. هادی خنثی یا نول در برخی سیستم ها توزیع می شود.
حفاظت سیستم ارتینگ IT در برابر خطا
رخ دادن خطای اول در سیستم IT
اولین خطای زمین در سیستم ارتینگ IT نباید باعث هیچگونه قطعی شود. جریان خطای زمین در اولین خطا بر حسب میلی آمپر اندازه گیری می شود. در ادامه دو روش مختلف محاسبه جریان خطای زمین شرح داده شده است:
مثال اول
در تصویر 24 یک مدار ساده با طرح ارتینگ IT را مشاهده می کنید. نقطه ی نوترال ترانسفورماتور تغذیه کننده ی مدار توسط یک مقاومت 1500 اهم به زمین متصل شده است. جریان عبوری از مقاومت ارتینگ در مدار سه فاز 230/400 ولت هنگام رخ دادن خطا 153 میلی آمپر خواهد بود.
ولتاژ خطای ایجاد شده نسبت به زمین، از طریق ضرب جریان خطا در مجموع مقاومت هادی PE و مقاومت الکترود زمین محاسبه می شود. با توجه به جریان بسیار پائین خطا، مقدار ولتاژ ایجاد شده ناچیز خواهد بود.
تصویر 1: مدار ساده شده
مثال دوم
طبق تصویر برای شبکه ای که از یک کیلومتر هادی تشکیل شده است، امپدانس نشتی \(˜1\mu F/km\) به زمین توسط خازن های C1 تا Cn معادل می شود. در این مثال امپدانس خازنی Zc به ترتیب 3500 اهم برای هر فاز است. هنگام بهره برداری عادی، جریان عبوری از هر فاز به زمین بعلت وجود امپدانس خازنی با فرمول زیر محاسبه می شود:
\[I_C=\frac{U_0}{Z_c}=\frac{230}{3500}=66\ mA\]
در این مثال جریان نشتی مقاومتی به زمین از داخل عایق ها بسیار کوچک بوده و از آن صرف نظر شده است.
تصویر 2: مسیر عبور جریان هنگام رخ دادن خطای اول در سیستم IT
جهت تحلیل شبکه ی فوق هنگام رخ دادن خطا می توان از بردارهای ولتاژ و جریان استفاده کرد. به عنوان مثال در صورت رخ دادن خطا بین فاز اول و زمین، بردارها به این شکل خواهند بود:
تصویر 3: بردار ولتاژها و جریان ها هنگام رخ دادن خطا بین فاز اول و زمین
جریان خطای عبوری از الکترود زمین با مقاومت Ra، بردار مجموع جریان های زیر است:
- جریان خازنی در دو فاز بدون نقص \(I_{C3}\) و \(I_{C2}\)
- جریان خازنی نول \(I_{CN}\)
- جریان امپدانس نول \(I_{d1}\)
ولتاژ فازهای سالم بعلت رخ دادن خطا به اندازه ی \(\sqrt{3}\) برابر ولتاژ فاز نرمال افزایش پیدا می کند. در این شرایط جریان های خازنی نیز به همان مقدار یعنی \(I_{C2}=I_{C3}=I_C\times \sqrt{3}=66\ mA\times \sqrt{3}=114\ mA\) تغییر خواهد کرد. ولتاژ نول برابر با 230 ولت بوده و جریان خازنی آن معادل \(I_{CN}=I_C=66\ mA\) است. طبق تصویر قبل، بردار جریان ها با زاویه ی 30 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند. جمع برداری سه جریان فوق با \(I_{d2}\) نمایش داده شده و به این صورت محاسبه می شود:
\[2\left(I_C\times \sqrt{3}\right)\times \frac{\sqrt{3}}{2}+I_c=3\times I_C+I_C=4\times I_C=4\times 66=246\ mA\]
به عنوان مثال هنگام رخ دادن خطای فاز به زمین در مدارهای 3L+N، مقدار جریان خازنی 4 برابر جریان بهره برداری عادی یا Ic خواهد شد. پارامتر Id1 نیز مربوط به جریان عبوری از مقاومت نقطه ی اتصال زمین بوده که طبق مثال شماره 1 حدود 153 میلی آمپر است. میزان جریان خطای فاز به زمین با جمع برداری جریان Id2 و Id1 محاسبه می شود. همانطور که مشاهده کردید جریان Id2 معادل 264 میلی آمپر و جریان Id1 معادل 153 میلی آمپر است. جمع برداری این دو جریان به صورت \(\sqrt{{153}^2+{263}^2}\) محاسبه شده و برابر با 304 میلی آمپر خواهد بود. در صورتی که مقاومت الکترود زمین یا Ra برابر با 50 اهم تصور شود، مقدار ولتاژ خطا یا Uf برابر با \(50\times 304\times {10}^{-3}=15.2\ V\) محاسبه می شود. ولتاژ خطا در این سیستم 15.2 ولت بوده که کاملا بی خطر است.
توصیه
به منظور بهره مندی کامل از تداوم سرویس دهی هنگام رخ دادن خطای اول در سیستم ارتنیگ IT :
- طبق تصویر زیر و به منظور نظارت دائمی، از یک دستگاه مانیتورینگ عایقی به همراه سیگنال نورانی یا صوتی استفاده شده تا رخ دادن اولین خطای زمین در سیستم اعلام شود.
- جهت استفاده از تمام قابلیت های سیستم IT باید موقعیت خطای اول به سرعت تعیین شده و رفع عیب کامل صورت گیرد. تداوم سرویس دهی یکی از بزرگترین مزایای سیستم IT است. با توجه به تداوم سرویس دهی پس از رخ دادن خطای اول، نیازی به رفع عیب سریع و اضطراری نیست. می توان تعمیرات را به بهترین زمان ممکن منتقل کرده و از شرایط استرس آور و تعمیرات تحت فشار اجتناب کرد.
تصویر4: نمونه ای از دستگاه مانیتورینگ عایقی فاز به زمین که در سیستم های IT استفاده می شود.
جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات طراحی تاسیسات فشار ضعیف را مشاهده کنید.
رخ دادن خطای دوم در سیستم زمین IT
رخ دادن خطای دوم در سیستم IT منجر به اتصال کوتاه بین هادی های فعال یعنی هادی های فاز یا هادی نول از طریق زمین یا هادی های باندینگ PE خواهد شد. توجه داشته باشید که اگر خطای دوم در همان هادیی رخ بدهد که با خطای اول زمین شده است، اتصال کوتاه ظاهر نخواهد شد. پس از خطای دوم معمولا تجهیزات حفاظتی اضافه جریان مانند بریکرها و فیوزها به صورت خودکار عمل می کنند. عملکرد خودکار تجهیزات حفاظتی اضافه جریان باعث قطع کامل تغذیه و از دست رفتن سرویس دهی می شود. ویژگی ها و محدودیت های سیستم IT را در بخش 6.3 مطالعه کنید. در تصویر زیر دو حالت متفاوت نمایش داده شده است. رفع خطا یا Fault clearance در هریک از موارد زیر متفاوت می باشد:
تصویر 5: در نظر گرفتن دو شرایط متفاوت
در مقاله بعدی نحوه ی اجرای سیستم های حفاظتی در سیستم IT را بررسی میکنیم.
طرح اول
طبق تصویر زیر، این حالت مربوط به تاسیساتی است که در آن ها تمام بخش های فلزی و در دسترس به یک هادی حفاظتی یا PE مشترک متصل شده باشند.
تصویر 6: وقتی بخش های هادی و در دسترس تجهیزات به یک هادی حفاظتی مشترک متصل شده باشند، بریکر با رخ دادن دو خطا تریپ خواهد شد.
در این مدل و هنگام رخ دادن خطای دوم، هیچ الکترود زمینی در مسیر جریان خطا قرار نگرفته و سطح بالایی از جریان خطا ایجاد خواهد شد. تصور کنید فاز دوم در خطای اول به زمین متصل شده باشد. در صورتی که این خطا برطرف نشده و فاز سوم نیز به هادی PE متصل گردد، مسیر این دوفاز از طریق هادی حفاظتی بسته شده و یک اتصال کوتاه شدید رخ می دهد. با توجه به وجود جریان خطای بالا می توان از تجهیزات حفاظتی اضافه جریان متداول مانند بریکرها و فیوزها در مدار فوق استفاده کرد. به منظور تنظیم تجهیزات حفاظتی باید میزان جریان اتصال کوتاه بر اساس یکی از روش های قابل اجرا در سیستم TN محاسبه شود. روش های محاسبه ی جریان اتصال کوتاه که در مقاله محاسبه جریان خطای زمین یا ارت فالت شرح داده شد عبارتنداز:
- روش امپدانس
- روش ترکیب
- روش مرسوم
اولین خطا ممکن است در آخرین بخش یکی از دور ترین مدارهای موجود در تاسیسات رخ بدهد در حالی که موقعیت خطای دوم در انتهای مدار دیگری با جهت کاملا مخالف باشد. یکی از روش های مرسوم با در نظر گرفتن احتمال فوق، دوبرابر کردن امپدانس حلقه ی مدار هنگام محاسبه ی جریان اتصال کوتاه و به دست آوردن تنظیمات قطع آنی تجهیزات حفاظتی اضافه جریان مانند بریکرها است.
در جایی که سیستم الکتریکی علاوه بر هادی های 3 فاز شامل هادی خنثی یا نول نیز می شود، جریان خطا متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال کمترین جریان اتصال کوتاه در طرح ارتینگ IT وقتی رخ می دهد که یکی از دو خطا، مربوط به اتصال هادی نول به زمین باشد.
همانطور که قبلا شرح داده شد، در سیستم ارتینگ IT هر چهار هادی نسبت به زمین ایزوله یا عایق هستند. بنابراین در تاسیسات چهار سیمه ی IT باید از ولتاژ فاز به نول برای محاسبه ی سطح اتصال کوتاه تجهیزات حفاظتی استفاده شود. به عنوان مثال بر اساس روش مرسوم شرح داده شده در مقاله بعد فرمول \(0.8\frac{U0}{2Z_c}\gg Ia\) صادق خواهد بود. در این فرمول:
- U0 ولتاژ فاز به نول
- Zc امپدانس حلقه ی خطای مدار. در مقاله ی سیستم ارتینگ TN این مقدار را محاسبه کردیم.
- Ia سطح جریان تنظیمی برای تریپ
اگر هادی نول در تاسیسات توزیع نشده باشد از ولتاژ فاز به فاز برای محاسبه ی جریان خطا استفاده خواهد شد. به این ترتیب جریان تنظیمی برای تریپ برابر با \(0.8\frac{\sqrt{3}U0}{2Z_c}\gg Ia\) خواهد بود. همانطور که در مقاله محاسبه جریان خطای زمین در سیستم TN شرح داده شد، تنظیمات رله های حفاظتی اضافه جریان و رنج فیوزها از اصلی ترین پارامترهای حفاظت مدار بر اساس طول آن هستند. به عبارت دیگر با تنظیم صحیح بریکرها یا استفاده از رنج مناسب فیوزها می توان حفاظت رضایت بخشی از مدار بر اساس طول هادی های آن داشت.
توجه داشته باشید که در شرایط عادی، مسیر جریان خطا از طریق هادی مشترک PE بسته شده که تمام بخش های رسانا و در معرض تاسیسات را به یکدیگر متصل می کند. در این حالت امپدانس حلقه ی خطا به اندازه ی کافی پائین بوده تا سطح کافی جریان خطا برای عملکرد سیستم های حفاظتی تضمین گردد.
طرح دوم
طبق تصویر زیر؛ این حالت مربوط به تاسیساتی است که در آن بخش های رسانا و در دسترس به صورت جداگانه و یا در چند گروه مجزا زمین شده اند. به عنوان مثال برای هر تجهیز از یک الکترود جدا گانه استفاده شده و یا تعدادی الکترود برای گروه های مجزا در نظر گرفته شده باشد. این تاسیسات در مقایسه با طرح اول به حفاظت تکمیلی نیاز داشته و باید قوانین سیستم های TT یعنی نصب RCD در آن اعمال گردد. در دیاگرام از RCD های ترکیب شده با بریکر برای گروه های 1 و 2 و حفاظت اصلی استفاده شده است. توجه داشته باشید که RCD باید یک دستگاه یا مجموعه ای از دستگاه ها با الکترود مشترک را حفاظت کند.
تصویر 7: استفاده از الکترودهای جداگانه برای زمین کردن بخش های فلزی و در دسترس
دلیل استفاده از RCD ها در طرح فوق نصب الکترودهای مجزا برای هر تجهیز یا گروهی از تجهیزات است. در این شرایط و هنگام رخ دادن خطای دوم، مسیر خطا از طریق الکترودهای زمین و زمین بسته شده و جریان محدود خواهد شد. همانطور که می دانید کاهش جریان خطا باعث عدم عملکرد تجهیزات حفاظتی اضافه جریان در زمان مجاز شده و حفاظت مدار غیر قابل اعتماد و خطرناک می شود.
برای درک بهتر موضوع تصور کنید که خطای اول در فاز اول از گروه اول مدار فوق رخ داده باشد. در ادامه خطای دوم در فاز دوم از گروه دوم ایجاد شده ولی هیچ هادی PE مشترکی بین این دو گروه وجود ندارد. جدا بودن الکترود ارت این دو گروه باعث می شود تا حلقه ی خطا از طریق الکترودها و زمین بسته شده و جریان محدود شود. در این مثال میزان کاهش جریان خطا به مقاومت RA1 و RA2 بستگی دارد. بنابراین به RCD های حساسی نیاز است تا خطا شناسایی شده و مدار قطع شود. بدیهی است که جریان عامل RCD ها باید بیشتر از جریانی باشد که در خطای اول رخ می دهد. به عبارت دیگر RCD ها نباید در خطای اول عکس العملی از خود نشان دهند. در جدول زیر میزان جریان خطای اول بر اساس ظرفیت خازنی مدار را مشاهده می کنید. به صورت معمول ظرفیت خازنی نشتی یک کابل با 4 هادی برابر با 1 میکروفاراد به ازای هر کیلومتر است.
رابطه ی بین ظرفیت خازنی نشتی مدار و جریان خطای اول
| ظرفیت خازنی نشتی بر اساس میکروفازاد | جریان خطای اول بر اساس آمپر |
| 1 | 0.07 |
| 5 | 0.36 |
| 30 | 2.17 |
حفاظت هادی نول یا خنثی در برابر اضافه جریان از اهمیت ویژه ای برخوردار است. گاهی اوقات حفاظت جریانی هادی خنثی در سیستم های 3 فاز و 4 سیمه با نصب یک ترانس جریان حلقوی به راحتی حاصل می شود. این پروسه در تصویر 5 نمایش داده شده است.
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.