حفاظت اضافه ولتاژ در سیستم IT

اضافه ولتاژ در شبکه های الکتریکی به صورت های مختلفی با فرکانس و مقادیر بسیار متنوعی رخ می دهد. از اضافه ولتاژهای معمول می توان به تنش های ناشی از سوئیچینگ یا کلید زنی، صاعقه و اضافه ولتاژ با فرکانس شبکه اشاره کرد. اضافه ولتاژهای سوئیچینگ و صاعقه دارای فرکانس شبکه نبوده و بسیار مخرب هستند. از آنجایی که اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه از اضافه ولتاژ سوئیچینگ بیشتر است، مقدار اضافه ولتاژ قابل تحمل تجهیزات به صورت Up یا Ligtning Impulse مشخص می شود. اضافه ولتاژ های صاعقه و سوئیچینگ از نظر زمان بسیار کوتاه بوده و دامنه ی بسیار زیادی دارند.

اضافه ولتاژ با فرکانس شبکه معمولا بعلت نقص الکتریکی ایجاد شده و زمان طولانی تری دارد. نوع حفاظت اضافه ولتاژ با توجه به طرح ارتینگ و سرعت عکس العمل تعیین می شود. به عنوان مثال خطای اول در طرح ارتینگ IT می تواند اضافه ولتاژی با فرکانس شبکه ایجاد کند. جهت جلوگیری از آسیب به تجهیزات در این شرایط باید از محدود کننده های ولتاژ استفاده شود.

آنچه در این مقاله می خوانید−

حفاظت اضافه ولتاژ در سیستم IT

محدود کننده ی ولتاژ Cardew C

اشنایدر الکتریک در این بخش به تجهیز Cardew C از گروه Vigilohm اشاره می کند. محدود کننده ی ولتاژ یا Surge limiter سری Cardew C به شکل های مختلفی در مدار قرار می گیرد. به صورت کلی از این وسیله برای محدود کردن ولتاژ نقطه ی نوترال ترانسفورماتور تغذیه استفاده می شود. حداکثر ولتاژی که نقطه ی نوترال می تواند به آن برسد، نسبت به زمین اندازه گیری خواهد شد.

محدود کننده ی ولتاژ Cardew C به هادی نوترال سمت ثانویه ی ترانسفورماتور تغذیه متصل می شود. نقطه ی نوترال در این طرح زمین نشده و یا با امپدانس بالا به زمین متصل می گردد. نقش این تجهیز حفاظت تاسیسات فشار ضعیف در برابر خطرات اضافه ولتاژ است. این تجهیز در طرح ارتینگ IT می تواند:

اضافه ولتاژهای ضعیف را حذف کند.
انرژی بسیار زیاد ناشی از خرابی ترانسفورماتور یا پدیده های جوی مانند صاعقه را به زمین منتقل کند.
جریان اتصال کوتاه ترانسفورماتور را تحمل کند.

محدود کننده، در شبکه های متناوب ایزوله یا زمین شده با امپدانس بالا کاربرد دارد. نمونه ی Cardew C بر اساس ولتاژ نامی سیستم یا Un و نقطه ی اتصال انتخاب می شود. ولتاژ نامی سیستم به شکل فاز به فاز است. منظور از نقطه ی اتصال، قرار دادن محدود کننده بین هادی نول و زمین یا هادی فاز و زمین است. روش اتصال محدود کننده ی ولتاژ به نوع سیم پیچ ثانویه ی ترانس قدرت و نحوه ی توزیع نوترال در تاسیسات بستگی دارد.

تصویر 1 محدود کننده ی ولتاژ یا Surge limiter اشنایدر الکتریک سری CARDEW C

مشخصات محدود کننده ولتاژ

در جدول زیر مشخصات مدل های مختلف محدود کننده ی ولتاژ از سری Cardew C را مشاهده می کنید. مشخصات محدود کننده در کاتالوگ شرکت سازنده با تیپ یا مقادیر ولتاژی مشخص می شود. به عنوان مثال محدود کننده ی Cardew C تیپ 250 ولت اشنایدر دارای Ui بین 400 تا 750 ولت است. ولتاژ پایداری این محدود کننده معادل 1.6 برابر ولتاژ تیپ در فرکانس 50 هرتز یعنی \(1.6\times 250=400\) ولت می باشد. محدود کننده ی ولتاژ می تواند ولتاژ پایداری را به صورت دائم و بدون هدایت جریان به سمت زمین نحمل کند.

ولتاژ آرک این تجهیز در نمونه ی 250 ولت معادل 3 برابر ولتاژ تیپ با فرکانس 50 هرتز یعنی \(3\times 250=750\) ولت خواهد بود. در مدل های دیگر ولتاژ آرک 2.5 برابر ولتاژ تیپ در فرکانس 50 هرتز اعلام شده است. با افزایش ولتاژ و رسیدن به این محدوده، آرک داخلی تشکیل شده و جریان به سمت زمین هدایت می شود. هدایت جریان به سمت زمین از رخ دادن اضافه ولتاژ در تاسیسات جلوگیری می کند.

جدول مشخصات مدل های مختلف محدود کننده ی ولتاژ از سری Cardew C

ولتاژ نامی به صورت فاز با فاز متناوب		ولتاژ Ui محدود کننده های سری Cardew C
نول در دسترس	نول غیر قابل دسترسی		تیپ
\(U\le 380V\)	\(U\le 220V\)	\(400V<Ui\le 750V\)	\(250V\)
\(380V<Ui\le 660V\)	\(220V<Ui\le 380V\)	\(700V<Ui\le 1100V\)	\(440V\)
\(660V<Ui\le 1000V\)	\(380V<Ui\le 660V\)	\(1100V<Ui\le 1600V\)	\(660V\)
\(1000V<Ui\le 1560V\)	\(660V<Ui\le 1000V\)	\(1600V<Ui\le 2400V\)	\(1000V\)

از مشخصات دیگر محدوده کننده ی ولتاژ می توان به مقاومت آن در شرایط نرمال و تحمل جریان اتصال کوتاه حین خطا اشاره کرد. به عنوان مثال در نمونه های اشنایدر به مقاومتی بزرگتر از \({10}^{10}\) اهم اشاره شده است. این تجهیز می تواند حداکثر جریان 40 کیلو آمپر را در 0.2 ثانیه پس از تشکیل آرک تحمل کند. جریان قابل تحمل 40 کیلو آمپر امکان نصب محدود کننده ی ولتاژ در خروجی ترانسفورماتورهای فشار متوسط به فشار ضعیف با توان بسار بالا را میسر می کند. در جدول های بعدی سطح مقطع اتصال هادی به محدود کننده ی ولتاژ بر اساس توان ترانسفورماتور مشخص شده است. در این جدول ها حداکثر قدرت ترانس برابر با 1250 کیلو ولت آمپر بوده که جریان اتصال کوتاه آن حدود 30 کیلو آمپر است.

در نظر داشته باشید که لینک های Cardew C پس از آسیب به صورت مجدد قابل استفاده نبوده و باید تعویض شوند. در سیستم های IT از رله های مانیتورینگ عایقی استفاده می شود. در صورت صدور آلارم از سمت این رله باید ابتدا وضعیت محدود کننده ی ولتاژ نوترال یا فازها را کنترل کنید. در صورت رخ دادن آرک در محدود کننده ی ولتاژ، مقاومت آن به شدت کاهش پیدا کرده و اتصال مستقیم به زمین ایجاد می شود. اتصال دائم در محدود کننده ی ولتاژ باعث نمایش خطای اول روی رله شده و باید در اسرع وقت کارتریج یا لینک را تعویض کنید. در تصویر ابعاد پایه و کارتریج محدود کننده ی ولتاژ اشنایدر سری Cardew C را با واحد میلی متر مشاهده می کنید.

تصویر 2 ابعاد پایه و کارتریج محدود کننده ی ولتاژ اشنایدر سری Cardew C

جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات تاسیسات الکتریکی فشار ضعیف را مشاهده کنید.

روش نصب محدود کننده ی ولتاژ

نحوه ی نصب محدود کننده ی ولتاژ بر روی سیم پیچ فشار ضعیف ترانسفورماتور MV/LV در تصویر زیر نمایش داده شده است. در صورت وجود اتصال ستاره با نقطه ی نوترال در سمت فشار ضعیف ترانسفورماتور قدرت می توانید محدود کننده ی ولتاژ را بین هادی خنثی و زمین قرار دهید. اتصال محدود کننده بین هادی خنثی و زمین در سمت چپ تصویر آورده شده است. این روش اصطلاحا نوترال توزیع شده یا نول در دسترس نام دارد.

هنگامی که اتصال ثانویه ی ترانس قدرت به صورت مثلث باشد می توان محدود کننده ی ولتاژ را بین یکی از فازها و زمین قرار داد. در اتصال مثلث سیم پیچ فشار ضعیف، هادی نول توزیع نشده و یا اصطلاحا در دسترس نمی باشد. شبکه با اتصال مثلث ثانویه و بدون نول سمت راست تصویر ترسیم شده است. از محدود کننده ی ولتاژ علاوه بر سیم پیچ فشار ضعیف ترانس های قدرت، در خروجی ترانس های ایزوله یا جداکننده نیز استفاده می شود.

تصویر 3 نحوه ی نصب محدود کننده ی ولتاژ Cardew C اشنایدر

ابعاد پایه ی کارتریج و سطح مقطع قسمت های اتصال آن به کابل یا سیستم باسبار بر اساس توان ترانسفورماتور تعیین می شود. در ادامه جدول اتصال هادی های مس و آلومینیوم بر اساس توان ترانسفورماتور را مشاهده می کنید. با افزایش توان ترانسفورماتور، قدرت اتصال کوتاه یا جریان اتصال کوتاه در دسترس نیز افزایش پیدا می کند. سایز هادی های منتقل کننده ی توان به صورت کابل یا سیستم باسبار بر اساس جریان نامی و جریان های خطا انتخاب می شود.

پایه و کارتریج محدود کننده ی ولتاژ باید توانایی عبور سنگین ترین جریان ممکن را داشته باشند. علاوه بر این باید شرایط اتصال پایه به کابل یا سیستم باسبار موجود نیز فراهم شود. به همین علت سطح مقطع قابل اتصال به پایه ی محدود کننده در دو جدول مجزا بر اساس میلی متر مربع آورده شده است.

همانطور که می دانید در جریان برابر باید از هادی آلومینیوم با سطح مقطع بزرگتر از هادی مس استفاده شود. هر جدول دارای دو بخش مجزا برای ترانسفورماتور قدرت با سیم پیچ ثانویه یا فشار ضعیف متفاوت است. در سطر اول ترانسفورماتورهای با اتصال ستاره به همراه هادی نول یا نول توزیع شده و در سطر دوم ترانسفورماتورهای با اتصال مثلث و بدون نول را مشاهده می کنید. قدرت ترانس ها از کمتر از 65 کیلو ولت آمپر تا 1250 کیلو ولت آمپر است.

جدول سطح مقطع هادی مس

سطح مقطع هادی مسی
P(KVA)	<65	100	125	160	200	250	315	400	500	630	800	1000	1250
	25	25	35	35	50	70	70	95	95	120	120	150	150
	25	25	25	25	35	35	50	70	70	95	95	120	120

جدول سطح مقطع هادی آلومینیوم

سطح مقطع هادی آلومینیوم
P(KVA)	<65	100	125	160	200	250	315	400	500	630	800	1000	1250
	35	35	50	50	70	95	120	150	150	185	240	240	240
	35	35	35	35	50	50	70	95	120	150	150	185	240

مقاومت اتصال زمین نقطه ی نوترال

در برخی از طرح های ارتینگ IT از مقاومت یا امپدانس استفاده می شود. این مقاومت برای تغییر در امپدانس ارتینگ بوده و با برندهای مختلفی در بازار وجود دارد. اشنایدر الکتریک در این بخش به تجهیز Impedance Zx از گروه Vigilohm اشاره می کند.

امپدانس Impedance Zx

تجهیز Zx یک امپدانس ارتینگ بوده که بین هادی نوترال و زمین در طرح IT قرار می گیرد. استفاده از مقاومت یا امپدانس در سیستم IT اجباری نیست ولی در شبکه های کوچک با طول کابل کم توصیه می شود. از مزایای امپدانس ارتینگ می توان به موارد زیر اشاره کرد:

امپدانس ارتینگ از تغییرات ولتاژ و آسیب به تجهیزات موجود در شبکه مانند پی.ال.سی ها، مودم ها، منابع تغذیه و غیره جلوگیری می کند. در طرح ارتینگ IT منابع تغذیه مخصوصا با توان پائین و نزدیک به ترانسفورماتور قدرت در معرض بیشترین آسیب ناشی از تغییرات ولتاژ هستند.
امپدانس ارتینگ اجازه ی بازگشت جریان ناشی از خطای حلقه در شبکه را به ترانسفورماتور می دهد. این جریان با عنوان جریان دیفرانسیل شناخته شده و توسط ادوات حفاظت دیفرانسیل مانند انواع RCD شناسایی می شود.

در تصویر امپدانس محدود کننده ی اشنایدر الکتریک یا Zx Limiting impedance Vigilohm را مشاهده می کنید. امپدانس Zx از گروه لوازم جانبی خانواده ی Vigilohm بوده و برای نظارت بر شبکه های زمین نشده یا IT در سطح فیدر طراحی شده است. امپدانس های محدود کننده به صورت مونتاژ شده و مطابق با استانداردهای محصول و تاسیسات الکتریکی تولید می شوند. این امپدانس از تغییرات ولتاژ جلوگیری کرده و برای حفاظت تجهیزات کم مصرف و نزدیک ترانسفورماتور MV/LV مانند مودم ها بسیار مفید است.

تصویر 4 امپدانس محدود کننده ی اشنایدر الکتریک سری Zx

روش نصب امپدانس Impedance Zx

در تصویر ابعاد امپدانس Zx را مشاهده می کنید. این تجهیز روی یک صفحه فلزی با ابعاد 190 در 380 میلی متر مربع مونتاژ شده و وزن آن 3.5 کیلو گرم است. عمق این تجهیز یا حداکثر ارتفاع آن از سطح داخل تابلو 200 میلی متر می باشد. بخش های 1 و 2 مربوط به ترمینال های امپدانس بوده که باید به هادی خنثی ترانسفورماتور و هادی زمین متصل گردد.

تصویر 5 ابعاد امپدانس Zx اشنایدر

دیاگرام اتصال ZX به همراه ادوات دیگر مانند محدود کننده ی ولتاژ Cardew C و سیستم های مانیتورینگ عایقی در تصویر زیر نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید اتصال این واحد بسیار ساده بوده و فقط با دو سیم انجام می شود. برای راه اندازی واحد امپدانس کافی است ترمینال شماره 1 به هادی خنثی ترانسفورماتور و ترمینال شماره 2 به هادی زمین متصل شود.