اجرای سیستم های حفاظتی در سیستم IT

حفاظت مدار IT با بریکر

در مدار زیر باید تنظیمات تریپ اضافه جریان آنی یا با وقفه ی کوتاه مدت بریکر به درستی انجام شود. همانطور که مشاهده می کنید در این طرح از بریکر اشنایدر سری NSX160 جهت حفاظت در برابر اتصال کوتاه استفاده شده که به خوبی می تواند خطای فاز با فاز حتی در قسمت های انتهایی مدار را پوشش دهد.

تصویر 1: استفاده از بریکرهای اشنایدر در حفاظت مدار با طرح IT

در طرح ارتینگ IT اینگونه فرض می شود که دو مدار درگیر شده با یکدیگر به صورت اتصال کوتاه فاز با فاز، دارای این شرایط هستند:

• طول یکسان
• هادی های فعال یا برقدار با سطح مقطع برابر
• هادی PE با سطح مقطع برابر با هادی فاز

در شرایط فوق، امپدانس حلقه ی مدار هنگام استفاده از روش مرسوم دو برابر مقدار محاسبه شده در یک مدار با طرح ارتینگ TN است. به عنوان مثال مقاومت مسیر خطای FGHJ در مدار تصویر قبل را در نظر بگیرید. این مسیر از هادی PE شروع شده و پس از اتصال به بدنه ی فلزی تجهیز به هادی فاز سوم خواهد رسید. سطح مقطع این هادی 35 میلی متر مربع و طول آن 50 متر است. مقاومت این مسیر به صورت \(FGHJ=2R\ JH=2\rho \frac{L}{a}\ \) با واحد میلی اهم محاسبه می شود. پارامترهای فرمول عبارتنداز:

• \(\rho \) مقاومت یک میله ی مسی با طول 1 متر و سطح مقطع 1 میلی متر مربع بر اساس میلی اهم
• \(L\) طول مدار بر اساس متر
• \(a\) سطح مقطع هادی ها با واحد میلی متر مربع

با جایگذاری اعداد؛ مقاومت مسیر FGHJ برابر با \(2\times 23.7\times \frac{50}{35}\) یعنی 67.7 میلی اهم خواهد بود. با ضرب مقدار 67.7 در 2 می توان مقاومت حلقه ی کامل یعنی B,C,D,E,F,G,H,J را به دست آورد. مقاومت حلقه ی کامل 135 میلی اهم می باشد. از آنجایی که اتصال کوتاه بین دوفاز رخ داده است، میزان جریان خطا طبق فرمول \(0.8\times \frac{\sqrt{3}\times U0}{z}\) برابر با 2361 آمپر خواهد بود.

حفاظت مدار IT با فیوز

پارامتر Ia جریانی است که مقادیر بالاتر از آن، عملکرد فیوز در یک زمان مشخص را تضمین می کند. میزان جریان عملکرد فیوز در زمان خاص را می توان از طریق منحنی آن تعیین کرد. منحنی عملکرد فیوز به صورت معکوس بوده توسط شرکت سازنده ارائه می شود. در تصویر زیر نحوه ی تعیین جریان Ia برای عملکرد فیوز در زمان 0.4 ثانیه برای سیستم TN را مشاهده می کنید.

تصویر 2: جداسازی توسط فیوز در سیستم TN

حفاظت مدار IT توسط دستگاه های جریان باقی مانده یا RCD

در شرایط زیر ممکن است عملکرد قابل اعتماد تجهیزات حفاظت اضافه جریان دچار اختلال شود:

• هنگامی که طول مدار به صورت اجتناب ناپذیری طولانی باشد.
• هنگامی که تجهیزات یک مدار به صورت جداگانه زمین شده اند به طوری که امکان عبور جریان خطا از دو الکترود زمین وجود داشته باشد.

در شرایط فوق توصیه می شود از RCD به منظور حفاظت هر مدار موجود در تاسیسات استفاده کنید. هنگامی که سیستم IT توسط مقاومت به زمین متصل شده، باید اطمینان حاصل کنید که RCD بسیار حساس نیست. حساسیت بیش از حد RCD باعث عملکرد آن در خطای اول و از دست رفتن مزیت اصلی مدارهای IT یعنی تداوم سرویس دهی خواهد شد. تریپ تجهیزات جریان باقی مانده که الزامات استاندارد IEC را برآورده می کنند ممکن است از 0.5 تا ΙΔ رخ بدهد. پارامتر ΙΔ جریان عامل یا جریان تنظیم شده در RCD ها است.

محاسبه حداکثر طول مدار IT

اصول شرح داده شده در خصوص طول مدار سیستم های TN برای مدارهای IT نیز صادق است. به عبارت دیگر طول مدار نباید از حداکثر محاسبه شده تجاوز کند. افزایش طول مدار پائین دست بریکر یا فیوز باعث از دست رفتن حفاظت و عدم عملکرد تجهیزات اضافه جریان در زمان مجاز خواهد شد. واضح است که بررسی طول مدار برای تمام ترکیب های ممکن هنگام رخ دادن دو خطای همزمان در سیستم IT غیر عملی است. به منظور پوشش تمام مدار می توان تنظیمات تریپ اضافه جریان را با این تصور انجام داد که خطای اول در دور ترین نقطه ی مدار مورد نظر رخ داده در حالی که خطای دوم در انتهای یک مدار با شرایط مساوی ظاهر خواهد شد. این مسائل در مقاله سیستم ارتینگ IT شرح داده شده است. تنظیمات طبق روش فوق ممکن است باعث عملکرد یک بریکر یا فیوز شود. به عنوان مثال بریکری که تنظیمات تریپ حساس تری داشته باشد به سرعت وارد مدار شده و شبکه ی پائین دست خود را قطع می کند. عملکرد یک بریکر یا فیوز هنگام رخ دادن خطای دوم در سیستم IT باعث برگشت مدار به شرایط قبلی یعنی وضعیت خطای اول شده ولی یک مدار معیوب را از سرویس خارج خواهد کرد.

تصویر 3: نمایش مسیر جریان هنگام رخ دادن دو خطا در سیستم IT به منظور محاسبه حداکثر طول مدار

• خطای دوم در تاسیسات سه فاز و سه سیمه فقط باعث اتصال کوتاه فاز با فاز خواهد شد. بعلت رخ دادن اتصال کوتاه فاز با فاز باید در فرمول محاسبه ی حداکثر طول مدار از \(\sqrt{3}U0\) استفاده شود. در این شرایط حداکثر طول مدار بر اساس متر از طریق فرمول زیر محاسبه می گردد:

\[L_{max}=\frac{0.8\ U0\ \sqrt{3}\ Sph}{2\ \rho Ia\left(1+m\right)}\]

فرمول 9: محاسبه حداکثر طول مدار در سیستم سه فاز و سه سیمه

• حداقل مقدار جریان خطا در تاسیسات سه فاز و چهار سیمه، هنگامی رخ می دهد که یکی از خطاها مربوط به هادی خنثی یا نول باشد. در این شرایط U0 مقدار ولتاژی است که برای محاسبه ی حداکثر طول کابل یا مدار در فرمول زیر استفاده می شود:

\[L_{max}=\frac{0.8\ U0\ S1}{2\ \rho Ia\left(1+m\right)}\]

فرمول 10: محاسبه حداکثر طول مدار در سیستم سه فاز و چهار سیمه

پارامترهای استفاده شده در فرمول های قبلی عبارتنداز:

• \(L_{max}\) طولانی ترین مدار بر حسب متر
• \(U0\) ولتاژ فاز به نول به عنوان مثال 230 ولت در سیستم 400/230
• \(\rho \) مقاومت ویژه در دمای بهره برداری نرمال به عنوان مثال \(23.7\times {10}^{-3}\mathrm{\Omega }{mm}^2/m\) برای هادی مس و \(37.6\times {10}^{-3}\mathrm{\Omega }{mm}^2/m\) برای هادی آلومینیوم
• \(Ia\) تنظیمات تریپ اضافه جریان بر اساس آمپر یا جریانی که مورد نیاز است تا فیوز به واسطه ی آن مدار معیوب را در یک زمان مشخص از منبع جدا کند.

\[m=\frac{Sph}{SPE}\]

• \(Sph\) سطح مقطع هادی فاز در مدار مورد نظر بر اساس میلی متر مربع
• \(SPE\) سطح مقطع هادی PE بر اساس میلی متر مربع
• \(S1\) اگر مدار شامل هادی نول باشد این مقدار برابر با S نول خواهد بود.
• \(S2\) اگر مدار فاقد هادی نول باشد این مقدار برابر با Sph خواهد بود.

جدول ها

جدول های شماره 4 تا 7 در مقاله محاسبه جریان خطای زمین در سیستم TN بر اساس روش مرسوم در محاسبه ی جریان خطای زمین تهیه شده اند. جدول های ذکر شده مربوط به حداکثر طول مجاز مدار بر اساس تنظیمات بریکر صنعتی و تیپ بریکرهای ساختمانی هستند. افزایش طول مدار از مقادیر اعلام شده باعث افزایش مقاومت هادی ها و محدود شدن جریان اتصال کوتاه می گردد. کاهش جریان اتصال کوتاه از میزان مورد نیاز برای تریپ آنی بریکر یا سوختن فیوز محافظ مدار، باعث عدم عملکرد آن ها در زمان مشخص خواهد شد. افزایش زمان عملکرد بریکرها و فیوزها هنگام رخ دادن خطا به معنی افزایش خطر برقگرفتگی به شکل تماس غیر مستقیم و خطر آتش سوزی است. برای تهیه ی جدول ها، موارد زیر در نظر گرفته شده اند:

• نوع حفاظت: بریکر یا فیوز، تنظیمات جریان عملکرد
• سطح مقطع هادی فاز و هادی حفاظتی
• نوع طرح ارتینگ
• ضریب اصلاح: جدول زیر بیان کننده ی ضریب اصلاح در سیستم IT است. این ضرایب باید در طول مدار ارائه شده توسط جدول های 4 تا 7 اعمال شود.

جدول 1: ضریب اصلاح برای طول های ارائه شده در جدول های 4 تا 7 در سیستم IT

مدار	جنس هادی ها	m = Sph/SPE یا PEN
		m = 1	m = 2	m = 3	m = 4
سه فاز	مس	0.86	0.57	0.43	0.34
	آلومینیوم	0.54	0.36	0.27	0.21
سه فاز + نول یا تک فاز + نول	مس	0.50	0.33	0.25	0.20
	آلومینیوم	0.31	0.21	0.16	0.12

مثال اجرای سیستم حفاظتی در مدار IT

تاسیساتی را در نظر بگیرید که دارای سیستم سه فاز و سه سیمه با ولتاژ 400/230 بوده که به صورت IT زمین شده است. یکی از مدارهای این تاسیسات با بریکر 63 آمپر تیپ B حفاظت شده و دارای هادی های فاز با سطح مقطع 50 میلی متر مربع به شکل کابل و از جنس آلومینیوم است. هادی PE استفاده شده در این مدار نیز از جنس آلومینیوم و با سطح مقطع 25 میلی متر مربع می باشد.

حداکثر طول مدار فوق باید چقدر باشد تا حفاظت از افراد در برابر خطر تماس غیر مستقیم توسط بخش مغناطیسی بریکر به صورت آنی انجام شود؟

طبق جدول 5 حداکثر طول مدار برای هادی فاز 50 میلی متر مربع از جنس مس که در سیستم TN با بریکر 63 آمپر تیپ B حفاظت شده، معادل 603 متر است. با توجه به اینکه سطح مقطع هادی فاز 50 و سطح مقطع هادی حفاظتی 25 میلی متر مربع و m=2 و هردو از جنس آلومینیوم هستند، ضریب اصلاح طبق جدول 1 معادل 0.36 خواهد بود.

حداکثر زمان تریپ

زمان جداسازی در سیستم IT به این بستگی دارد که الکترودهای مختلف موجود در تاسیسات و پست ها چگونه به یکدیگر متصل شده اند. سیستم IT هنگام رخ دادن خطای دوم یا رخ دادن دو خطا به صورت همزمان به یکی از حالت های TN یا TT تبدیل خواهد شد. در ادامه زمان جداسازی سیستم های TN و TT و ارتباط آن ها با سیستم IT بررسی شده است. برای مرور ویژگی های سیستم های TN و TT به مقالات قبلی مراجعه کنید.

حداکثر زمان جدا سازی برای مدارهای نهایی تاسیسات TN در جدول 1 از مقاله سیستم TN و نحوه اجرای آن آورده شده است. منظور از مدار نهایی؛ مواردی است که جریان آن ها از 63 آمپر تجاوز نکرده و شامل یک یا چند پریز هستند و مدارهای 32 آمپری که فقط تجهیزات نصب ثابت را تغذیه می کنند. برای مدارهای دیگر که بخش های فلزی در معرض آن ها به همان گروه متصل شده است، حداکثر زمان جداسازی 5 ثانیه خواهد بود. همانطور که می دانید رخ دادن خطای دوم یا دوخطا به صورت همزمان در سیستم IT منجر به عبور جریان اتصال کوتاه شبیه به سیستم TN خواهد شد.

در جدول 2 از مقاله سیستم ارت TT زمان جداسازی برای مدارهای نهایی TT را مشاهده می کنید. در سیستم TT بخش های فلزی در معرض به یک الکترود جداگانه از نظر الکتریکی و مستقل از الکترود پست متصل می شود. منظور از مدار نهایی؛ مواردی است که جریان آن ها از 63 آمپر تجاوز نکرده و شامل یک یا چند پریز هستند و مدارهای 32 آمپری که فقط تجهیزات نصب ثابت را تغذیه می کنند. برای مدارهای دیگر در همان گروه، حداکثر زمان جداسازی 1 ثانیه خواهد بود. تصور کنید دو خطای رخ داده در سیستم IT از نظر الکترودهای زمین مستقل باشند. به عبارت دیگر خطای اول در یک گروه از تجهیزات با الکترود مستقل و خطای دوم در گروه دیگری با الکترود جداگانه رخ بدهد. رخ دادن خطای دوم یا دو خطا به صورت همزمان در سیستم IT با دو گروه جداگانه، باعث محدود شدن خطای زمین توسط مقاومت الکترودهای مختلف مانند سیستم TT خواهد شد.

تجهیزات مورد نیاز برای حفاظت سیستم IT

به منظور دستیابی به حداکثر کارایی و تداوم در سرویس دهی سیستم IT باید از تجهیزات مناسب در بخش های مشخصی استفاده شود. در تصویر زیر موقعیت فانکشن های ضروری در طرح ارتینگ IT را مشاهده می کنید. توضیحات مربوط به این تصویر در ادامه و به صورت جدول شرح داده شده است. ستون آخر جدول مربوط به تجهیزات پیشنهاد شده از برند اشنایدر الکتریک می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص ماهیت، روش نصب و بهره برداری از تجهیزات ذکر شده کافی است مدل آن ها در وب سایت شرکت اشنایدر جستجو کنید.

تصویر 4: موقعیت فانکشن های ضروری در سیستم سه فاز و سه سیمه با طرح ارتینگ IT

جدول 2: فانکشن های اساسی در طرح ارتینگ IT با محصولات پیشنهادی اشنایدر الکتریک

حداقل فانکشن مورد نیاز	تجهیزات و دستگاه ها	مثال از برند اشنایدر الکتریک
حفاظت در برابر اضافه ولتاژ با فرکانس شبکه	1. محدود کننده ی ولتاژ	Cardew C
مقاومت اتصال زمین نقطه ی نوترال برای تغییر در امپدانس ارتینگ	2. مقاومت	Impedance Zx
سیستم مانیتورنیگ خطای زمین با آلارم هنگام رخ دادن خطای اول	3. سیستم مانیتورینگ دائمی عایقی PIM با قابلیت آلارم	Vigilohm IM10 or IM400
سیستم خودکار حفاظتی جهت جداسازی مدار هنگام رخ دادن خطای دوم و حفاظت هادی نول در برابر اضافه جریان	4. بریکر چهار پل (اگر هادی نول توزیع شده باشد باید هر 4 پل دارای حفاظت بوده و از کنتاکت نول استفاده نشود.)	Compact-circuit breakers or RCD-MS
تشخیص موقعیت خطای اول	5. با دستگاه تشخیص موقعیت خطا در سیستم برقدار یا قطع پیاپی مدارها	Vigilohm XGR+XRM or XD312 or XL308

اصل مانیتورینگ خطای زمین در سیستم IT

یک ژنراتور جریان متناوب با فرکانس بسیار پائین یا جریان مستقیم، ولتاژی بین نقطه ی نوترال یا خنثی ترانسفورماتور تغذیه و زمین اعمال می کند. فرکانس پائین یا جریان مستقیم جهت کاهش خاصیت خازنی کابل ها به سطح بسیار کم و قابل چشم پوشی استفاده می شود. ولتاژ فوق باعث ایجاد جریان کمی در مدار خواهد شد. میزان جریان به مقدار مقاومت عایقی کل تاسیسات نسبت به زمین به همراه دستگاه های متصل شده به آن است. در سیستم های AC می توان از دستگاه های فرکانس پائین استفاده کرد که در شرایط خطا، مولفه های گذرای DC تولید می کنند. ورژن های خاصی می توانند بین مولفه های مقاومتی و خازنی جریان نشتی تمایز قائل شوند. تجهیزات مدرن امکان اندازه گیری افزایش تدریجی جریان نشتی را داشته تا بتوان از اولین خطا جلوگیری کرد.

تجهیزات نمونه

به منظور تعیین محل خطا می توان از تجهیزات پرتابل و تجهیزات تابلویی استفاده کرد. در ادامه چند نمونه از این تجهیزات با برند اشنایدر الکتریک بررسی شده اند.

تجهیزات دستی تعیین محل خطا در سیستم IT

ژنراتور استفاده شده جهت تعیین محل خطا می تواند به صورت فیکس یا پرتابل باشد. در تصویر مدل نصب ثابت IM400 و مدل پرتابل XGR را مشاهده می کنید. از دستگاه های پرتابل مانند XGR می توان در عیب یابی مدارهای بی برق استفاده کرد. هردو دستگاه نیاز به یک گیرنده دارند. گیرنده به همراه سنسور مغناطیسی و کلمپی به شکل پرتابل ساخته شده و برای بررسی مدارها استفاده می شود.

در تصویر نحوه ی اتصال دستگاه ثابت و پرتابل به همراه تعیین محل خطا با سنسور را مشاهده می کنید. دستگاه ثابت قبل از بریکر اصلی و دستگاه پرتابل پس از آن قرار دارد. در هردو شکل باید سنسور در مدارهای مختلف به صورت دستی جابجا شده تا بتوان محل خطا را تشخیص داد.

تصویر 5: تجهیزات تشخیص موقعیت خطا به صورت دستی و غیر خودکار

تجهیزات نصب ثابت و خودکار تعیین محل خطا در سیستم IT

طبق تصویر و به منظور تعیین موقعیت خطا می توان از دستگاه PIM IM400 به همراه آشکار سازهای نصب ثابت سری XD301 یا XD312 استفاده کرد. آشکارسازها مجهز به ترانس جریان حلقوی بوده که تمام هادی های مدار مورد نظر از داخل آن عبور می کند. علاوه بر بررسی دائمی سطح عایقی هر مدار در طرح زیر، 2 سطح مختلف کنترل می شود:

• سطح اول کاهش غیر معمول مقاومت عایقی را هشدار داده تا اقدامات پیشگیرانه انجام شود.
• سطح دوم رخ دادن خطا را تشخیص داده و آلارم مربوط به آن را صادر می کند.

با توجه به قابلیت ارتباط مدباس دستگاه IM400 می توان اطلاعات مربوط به سطح عایقی و ظرفیت خازنی مدارها را در یک مرکز جمع آوری و کنترل کرد.

تصویر 6: تجهیزات نصب ثابت و خودکار تعیین محل خطا

تجهیزات خودکار مانیتورینگ، ثبت داده ها و تعیین موقعیت خطا در سیستم IT

با استفاده از سیستم Vigilohm و اتصال آن به مرکز بالادست از طریق Modbus RS485 می توان وضعیت و اطلاعات سطح عایقی کل سیستم و فیدرهای خروجی را جمع آوری کرد. جمع آوری و متمرکز کردن این اطلاعات باعث بهبود کیفیت نظارت بر آن ها خواهد شد. دستگاه مرکزی XM300 به همراه آشکارسازهای محلی XL308 و XL316 و ترانس های جریان حلقوی جهت کنترل چندین مدار مختلف در تصویر زیر نمایش داده شده است. تجهیزات زیر می توانند اطلاعات مقاومت عایقی را ثبت و ارسال کرده و به سرعت مدار معیوب را مشخص کنند.

تصویر 7: تجهیزات خودکار تعیین محل خطا به همراه ثبت اطلاعات مقاومت عایقی

راه اندازی دستگاه های PIM یا نظارت دائمی بر عایق

PIM مخفف Permanent Insulation-Monitoring یا نظارت دائمی بر عایق است.

اتصال

دستگاه PIM معمولا بین نقطه ی خنثی یا نقطه ی خنثی مصنوعی ترانسفورماتور تغذیه و الکترود زمین قرار می گیرد.

تغذیه

تغذیه ی دستگاه PIM باید از یک منبع بسیار قابل اعتماد تامین گردد. در عمل تغذیه ی دستگاه اغلب به صورت مستقیم از تاسیسات تحت مانیتورینگ دریافت می شود. در مسیر تغذیه باید تجهیزات حفاظتی اضافه جریان با سطح اتصال کوتاه مناسب قرار بگیرد.

تنظیمات

برخی استانداردهای ملی توصیه می کنند که تنظیمات اول را 20 درصد کمتر از سطح عایقی تاسیسات جدید در نظر بگیرید. این مقدار امکان تشخیص کاهش کیفیت عایقی مدار را فراهم می کند. با کاهش میزان عایقی مدار می توان تعمیرات پیشگیرانه را انجام داده و تاحد مطلوبی از رخ دادن خطای اول جلوگیری کرد. سطح آلارم تشخیص خطای زمین باید مقدار بسیار کمتری داشته باشد.  به عنوان مثال دو سطح تنظیمی ممکن است:

• سطح عایقی تاسیسات جدید: 100 کیلو اهم
• جریان نشتی بدون ایجاد خطر: 300 میلی آمپر. (خطر آتش سوزی در جریان های بالاتر از 300 میلی آمپر است)
• سطح های تنظیمی توسط مصرف کننده:
  • آستانه ی تعمیرات پیشگیرانه: 80 درصد سطح عایقی تاسیسات جدید بعدی 80 کیلو اهم
  • آستانه ی هشدار اتصال کوتاه: 500 اهم

نکته ها:

• پس از یک دوره ی طولانی خاموشی که طی آن بخشی یا کل تاسیسات بدون برق هستند، رطوبت می تواند سطح کلی مقاومت عایقی را کاهش دهد.
• وضعیت فوق اغلب باعث ایجاد جریان نشتی از روی سطح عایق سالم و مرطوب می شود. این جریان نشتی به عنوان شرایط خطا شناسایی نشده و با عبور جریان نرمال از هادی ها کاهش پیدا می کند. عبور جریان از هادی ها باعث افزایش دما شده و رطوبت های سطحی را کاهش می دهد.
• برخی دستگاه های PIM مانند IM20، IM400 و IM300 اشنایدر می توانند مولفه های جریان مقاومتی و خازنی نشتی به زمین را به صورت جداگانه اندازه گیری کنند. در این حالت درصد مقدار واقعی مقاومت عایقی تاسیسات از کل جریان نشتی دائمی مشخص می شود.

محتوای این مقالات برگرفته از کتاب تاسیسات فشار ضعیف (طرح های ارتینگ و RCD) تالیف مثلث زرد می باشد. این کتاب دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد غیرمجاز بوده و پیگرد قانونی دارد.