حفاظت در برابر خطرات آتش سوزی الکتریکی

آتش سوزی با منشاء الکتریکی

در اروپا سالانه 2 میلیون آتش سوزی گزارش می گردد. این حوادث در هر سال باعث مرگ بیش از 4 هزار نفر و بستری شدن بیش از 70 هزار نفر بعلت جراحات شدید در بیمارستان ها می شود. طبق آمار ارائه شده در www.firesafeeurope.eu، به صورت متوسط 90 درصد آتش سوزی ها در ساختمان ها رخ می دهد. الکتریسیته یک عامل رایج در آتش سوزی های منازل و ساختمان های مسکونی است. طبق اطلاعات وب سایت www.promotelec.com حدود 280 هزار آتش سوزی الکتریکی به صورت سالانه در خانه ها اتفاق می افتد. با توجه به کشور، روش های بررسی و ابزارهای شناسایی علت حوادث می توان نسبت حریق با منشاء الکتریسیته را اینگونه اعلام کرد:

• 13 درصد در ایالات متحده آمریکا nfpa.org
• 25 درصد در فرانسه promotelec.com
• 33 درصد در آلمان ifs-kiel.de
• 40 درصد در نروژ sintef.no

آتش سوزی های الکتریکی در تاسیسات فشار ضعیف می تواند ناشی از موارد زیر باشد:

• اضافه جریان شامل اتصال کوتاه و اضافه بار
• خطای زمین یا ارت فالت
• آرک یا قوس الکتریکی در کابل ها و اتصالات
• اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه و غیره

حفاظت در برابر آتش ناشی از خطاهای زمین

در تاسیسات فشار ضعیف اغلب اتصال کوتاه ها به شکل فاز به زمین است. این حوادث بعلت های مختلف از جمله اشکال در عایق های الکتریکی رخ می دهند. در مقالات قبلی اقدامات لازم به منظور حفاظت در برابر شوک الکتریکی شرح داده شد. اقدامات فوق باعث جداسازی خودکار منبع هنگام رخ دادن خطا بین هادی های برقدار و بخش های فلزی در دسترس می شود. پیروی از الزامات بیان شده باعث جلوگیری از ایجاد ولتاژ خطرناک تماس خواهد شد ولی یک نکته ی مهم دیگر وجود دارد. برخی از خطاهای زمین دارای جریان پائینی بوده و توسط ادوات حفاظتی اضافه جریان پوشش داده نمی شوند.

منحنی عملکرد تجهیزات حفاظتی اضافه جریان و میزان جریان قابل تحمل کابل ها در تصویر زیر نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید جریان خطای کمتر از In توسط این دستگاه قابل شناسایی نیست. از طرفی جریان های بالاتر از In به دو شکل معکوس و آنی تشخیص داده می شوند. منحنی معکوس به معنی عملکرد آهسته بوده و منحنی آنی به معنی عملکرد سریع است. هنگام انتخاب یا تنظیم بریکر باید به قرار داشتن جریان If در محدوده ی آنی توجه شود. If میزان جریان خطای ایجاد شده هنگام اتصال هادی فاز با بخش های فلزی است.

تصویر 1: منحنی تجهیزات حفاظت اضافه جریان و جریان خطای زمین ممکن

حفاظت توسط ادوات جریان باقی مانده یا RCD ها

از بین رفتن عایق هادی های برقدار و اتصال آن ها به زمین در محیط های مرطوب و دارای گرد و غبار باعث ایجاد آرک های کوچک می شود. آرک های مورد نظر بسیار کوچک تر از تحمل هادی ها بوده ولی می توانند باعث آتش سوزی شوند. برخی از آزمایش ها نشان می دهند که حتی جریان های بسیار پائین و در محدوده ی 300 میلی آمپر یک خطر جدی در ایجاد حریق هستند. جریان این نوع از خطاها توسط ادوات حفاظتی اضافه جریان قابل شناسایی نخواهد بود.

تصویر 2: منشاء آتش سوزی در ساختمان ها

در سیستم های TT، IT و TN-S استفاده از RCD های با حساسیت 300 میلی آمپر، حفاظت خوبی در برابر ریسک آتش سوزی ایجاد می کند. استاندارد IEC60364-4-42:2010 بند 422.3.9 نصب تجهیزات جریان باقی مانده با حساسیت 300 میلی آمپر را در مناطق با خطر بالای آتش سوزی الزامی می داند. منظور از مناطق با خطر بالای آتش سوزی شرایط BE2 در جدول 51A استاندارد IEC60364-5-51:2005 با توجه به ماهیت مواد تولید یا انباشه شده است. این الزام شامل طرح TN-S بوده ولی در سیستم TN-C قابل اجرا نیست. توصیه می شود در تمام تاسیسات حتی در مکان هایی که طبق استاندارد IEC نصب RCD اجباری نیست، از این تجهیزات به منظور جلوگیری از آتش سوزی استفاده کنید.

در تصویر زیر منحنی عملکرد تجهیزات حفاظت جریان باقی مانده یا RCD به همراه منحنی ادوات اضافه جریان یا O.C نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید جریان عامل RCD یا Ircdدر سطوح بالا از 300 میلی آمپر تا 30 آمپر قابل تنظیم است. زمان وقفه ی این فانکشن حفاظتی ثابت بوده و به صورت منحنی معکوس نیست. به عبارت دیگر در صورت رخ دادن خطای زمین با جریان برابر یا بیشتر از مقدار تنظیم شده، فرمان تریپ با تاخیر یا به صورت آنی صادر می شود. مقدار تاخیر زمانی در RCD های تیپ S ثابت بوده ولی در رله ها قابل تنظیم است. از زمان وقفه به منظور هماهنگی تجهیزات جریان باقی مانده در سطوح مختلف استفاده می شود.

تصویر 3: یک مثال از منحنی عملکرد یا تریپ تجهیزات حفاظتی نشتی جریان

راه حل دیگر به منظور جلوگیری از آتش سوزی الکتریکی استفاده از تجهیزات خطای زمین یا Ground Fault Protection است. در این روش دامنه ی جریان تشخیصی کاهش پیدا می کند.

حفاظت خطای زمین

در تجهیزات RCD از یک سنسور یا ترانس کوربالانس استفاده شده که فقط هادی های برقدار از داخل آن عبور می کنند. منظور از هادی های برقدار هادی های فاز و نول به غیر از هادی حفاظتی یا PE است. همانطور که قبلا شرح داده شده، در طرح ارتینگ TN-C، هادی حفاظتی و خنثی مشترک بوده و PEN نام دارد. بعلت مشترک بودن هادی حفاظتی و خنثی در سیستم TN-C، نمی توان از تجهیزات جریان باقی مانده یا RCD در این طرح ارتینگ استفاده کرد. عبور تمام هادی های برقدار و هادی PEN در طرح ارتینگ TN-C از داخل ترانس کوربالانس باعث اندازه گیری اشتباه و تریپ های ناخواسته می شود.

به منظور حفاظت سیستم های TN-C یک روش دیگر پیشنهاد می شود. این طرح حفاظتی حساسیت کمتری نسبت به RCD ها و حساسیت بیشتری نسبت به ادوات اضافه جریان مانند فیوز و بریکرها دارد. در آمریکای شمالی این طرح حفاظتی به صورت معمول استفاده شده و حفاظت خطای زمین نام دارد.

در تصویر زیر منحنی عملکرد فانکشن Ground Fault Protection به همراه منحنی معکوس تجهیزات اضافه جریان نمایش داده شده است. جریان حفاظت خطای زمین یا Ig در این مدل از 0.2 In تا In قابل تنظیم است. فانکشن خطای زمین از نظر جریان و زمان قابل تنظیم بوده و هماهنگی آن در سطوح مختلف ممکن است. حفاظت خطای زمین به شکل های مختلفی قابل اجرا بوده که در ادامه شرح داده شده است.

 

تصویر 4: نمونه ای از منحنی تریپ حفاظت خطای زمین به شکل RS

انواع مختلف حفاظت خطای زمین

با توجه به ادوات و نوع شبکه ممکن است از سه حالت مختلف حفاظت خطای زمین یا Ground Fault Protections: GFP در تاسیسات استفاده شود. این طرح ها در تصویر بعدی نمایش داده شده اند. حالت های مختلف GFP عبارتنداز:

• طرح اندازه گیری جریان باقی مانده یا Residual Sensing: RS: طبق بخش اول تصویر، در این طرح از چهار ترانسفورماتور جریان استفاده می شود. جریان خطای ناشی از اشکال در عایق یا Insulation Fault در این مدل به صورت جمع برداری بوده و توسط رله محاسبه می شود. به عبارت دیگر جریان سمت ثانویه ی ترانس ها از نظر برداری جمع شده و مقدار به دست آمده با تنظیمات رله مقایسه می شود. ترانس جریان چهارم یا ترانس هادی خنثی اغلب خارج از بریکر بوده و باید به صورت جداگانه نصب شود.
• جریان برگشتی از ارت منبع یا Source Ground Return: SGR: این طرح حفاظتی در بخش میانی تصویر نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید یک ترانس جریان روی هادی اتصال زمین مربوط به نقطه ی خنثی ترانسفورماتور قرار دارد. جریان خطای عایق در این مدل با اندازه گیری جریان عبوری از لینک نقطه ی خنثی ترانسفورماتور به زمین تشخیص داده می شود. این ترانسفورماتور جریان داخل بریکر نبوده و باید به صورت مجزا نصب شود.
• مولفه توالی صفر یا Zero Sequence: ZS: طرح حفاظتی ZC در سمت راست تصویر نمایش داده شده و شبیه به RCD ها طبق استاندارد IEC است. جریان خطای عایق در این روش به صورت مستقیم و از طریق ثانویه ی ترانسفورماتور جریان تشخیص داده می شود. طبق تصویر، ترانسفورماتور جریان روی تمام هادی های برقدار قرار گرفته و جریان عبوری از آن ها را جمع می کند. طرح ZC به منظور حفاظت خطای زمین یا GFP در تاسیساتی استفاده می شود که مقادیر جریان خطای پائینی دارند. حفاظت خطای زمین به شکل ZC می تواند در بریکر تعبیه شده و یا توسط رله ی استاندارد جداگانه ای پیاده شود. در همه ی حالت ها، دستگاهی که با سیستم GFP کار می کند باید ظرفیت قطع حداکثر جریان خطای ممکن در آن نقطه از تاسیسات را داشته باشد. قدرت قطع می تواند توسط دستگاه به تنهایی و یا با هماهنگی تجهیزات حفاظتی اضافه جریان تامین شود.

تصویر 5: انواع مختلف حفاظت خطای زمین

تصویر 6: نمونه ای از بریکر کامپکت سری NSX630 با اندازه گیری جریان باقی مانده به صورت داخلی یا یکپارچه توسط رله ی الکترونیک مایکرولاجیک 6.3E

نظارت بر خطای زمین

افزایش حساسیت سیستم حفاظتی باعث کاهش خطر آتش سوزی با منشاء الکتریسیته می شود. از طرفی حساسیت بالا باعث تریپ های ناخواسته هنگام اختلالاتی شده که خطای واقعی نیستند. پایداری RCD ها در برابر اختلالات در بخش های قبلی این فصل شرح داده شد. در اغلب تاسیسات موضوع تعادل بین حساسیت و پیوستگی در سرویس دهی مورد بحث است. در این شرایط می توان از ادوات نظارت بر خطای زمین بدون فرمان جداسازی اتوماتیک استفاده کرد. تجهیزات نظارت بر جریان زمین و صدور آلارم باعث می شوند تا:

• خطاهای ناشی از خرابی عایق ها زودتر تشخیص داده شود.
• جریان های نشتی غیر طبیعی تشخیص داده شود.
• اتصال ناخواسته ی هادی خنثی به زمین در محل های دیگر به غیر از لینک ارت اختصاصی تشخیص داده شود.

در تصویر یک بریکر مجهز به رله ی الکترونیک و یک رله ی مانیتورینگ جریان نشتی زمین را مشاهده می کنید:

تصویر 7: بریکر چهار پل با رله الکترونیک نظارت بر خطای زمین و رله خارجی

حفاظت در برابر خطای قوس الکتریکی در کابل ها و اتصالات

علت رخ دادن قوس الکتریکی یا آرک در کابل ها و اتصالات

هنگام آسیب موضعی کابل یا شل شدن اتصالات یا loose connection، دو نوع خطای آرک یا قوس الکتریکی رخ داده که باعث آتش سوزی می شود. این دو نوع خطای اصلی عبارتنداز:

خطای آرک سری

این پدیده ناشی از قوس الکتریکی بین دو قسمت یک هادی است. هنگامی که یک هادی آسیب دیده یا اتصالات آن به درستی محکم نشده باشد، یک نقطه ی داغ موضعی ایجاد خواهد شد. افزایش دما به مرور زمان باعث تبدیل عایق های آن بخش به کربن می شود. کربن یک ماده ی رسانا بوده و باعث انتشار و افزایش جریان در نقاط دیگر می گردد.

تصویر 8: خطای آرک سری

با توجه به ساختار غیر همگن کربن، جریان عبوری از آن به شکل آرک ظاهر شده تا مسیر خود را تسهیل کند. رخ دادن هر قوس یا آرک باعث کربن شدن بخش بیشتری از مواد عایق می شود. این چرخه تا جایی ادامه پیدا می کند که حجم کربن ایجاد شده برای پایداری آرک کافی باشد. چرخه ی تبدیل آرک به کربن و آتش سوزی در تصویر زیر آورده شده است.

تصویر 9: چرخه ی تولید آرک

تصویر 10: نمونه ای از اتصالات کربن شده

خطای آرک موازی یا اتصال کوتاه با مقاومت بالا

طبق تصویر، پدیده ی آرک موازی بین دو هادی متفاوت رخ می دهد. با آسیب مواد عایق بین دو هادی برقدار، جریان قابل توجهی بین آن ها ایجاد خواهد شد. در مراحل اولیه این جریان ضعیف تر از اتصال کوتاه بوده و با ادوات حفاظتی اضافه جریان قابل شناسایی نیست. از طرفی جریان به سمت زمین نبوده تا توسط RCD ها یا ادوات جریان باقی مانده تشخیص داده شود.

تصویر 11: خطای آرک یا قوس موازی

جریان عبوری از داخل عایق آسیب دیده ی دو هادی مختلف به شکل آرک ظاهر می گردد. قوس الکتریکی یا آرک مسیر خود را با تبدیل مواد عایق به کربن تسهیل می کند. رخ دادن آرک های موازی به مروز زمان کل مسیر را کربن کرده و در نهایت اتصال کوتاه رخ می دهد. آرک های موازی قبل از رخ دادن اتصال کوتاه و عملکرد ادوات حفاظت اضافه جریان می توانند باعث آتش سوزی شوند.

تصویر 12: پدیده ی اتصال کوتاه با مقاومت بالا

آرک وجه مشترک این پدیده ها بوده و منشاء آتش سوزی الکتریکی است. با شناسایی آرک یا قوس الکتریکی در مدارها می توان از فاجعه های مختلفی جلوگیری کرد. تجهیزات تشخیص آرک یا A.F.D.D در بخش بعدی بررسی شده اند. برخی از شرایط تولید کننده ی آرک در تصویر زیر نمایش داده شده است. این موارد نرخ آتش سوزی الکتریکی را به شدت افزایش دهند.

تصویر 13: شرایط پر ریسک که باعث افزایش خطرات آتش سوزی می شوند.

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.