حفاظت ولتاژ پایین

ولتاژ بسیار پائین یا Extra Low Voltage: ELV

ولتاژ بسیار پائین در محل ها و تجهیزاتی استفاده می شود که ریسک بسیار بالایی دارند. از موارد با ریسک بالا می توان  به استخرها، چراغ های دستی، وسایل قابل حمل برای استفاده در فضای باز و غیره اشاره کرد. در ادامه سه حالت ولتاژ بسیار پائین به شکل های SELV، PELV و FELV بررسی خواهد شد.

SELV چیست؟

SELV مخفف Safety Extra-Low Voltage است. ایمنی با ولتاژ بسیار پائین یا SELV در محل هایی استفاده می شود که به کارگیری تجهیزات الکتریکی خطرات جدی در پی داشته باشد. این اقدام به روش تغذیه ی تجهیزات با ولتاژ بسیار پائین از سیم پیچ ثانویه ی ترانس ایزوله بستگی دارد. ترانسفورماتور ایزوله باید طبق استانداردهای ملی یا بین المللی مانند IEC60742 طراحی شده باشد. پایداری عایق بین سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانس ایزوله در برابر ولتاژهای ضربه یا impulse باید بسیار بالا باشد. در برخی شرایط از یک صفحه ی فلزی زمین شده بین سیم پیچ اولیه و ثانویه استفاده می شود. ولتاژ سیم پیچ ثانویه ی ترانس هرگز از 50Vrms تجاوز نمی کند.

به منظور حفاظت مناسب هنگام رخ دادن خطا باید سه شرط بهره برداری زیر رعایت شود:

• هیچ هادی برقداری در بخش ولتاژ بسیار پائین یا SELV نباید به زمین متصل شود.
• بخش های رسانای تجهیزات تغذیه شده با SELV نباید به زمین، به سایر قطعات رسانا یا قطعات رسانای خارجی و در دسترس متصل شوند.
• تمام قسمت های برقدار مدارهای SELV باید با فاصله گذاری از مدارهای با ولتاژ بالاتر جدا شود. فاصله ی بین دو مدار حداقل باید به اندازه ی فاصله ی بین دو سیم پیچ ترانسفورماتور ایزوله ایمنی باشند.

اقدامات فوق مستلزم آن است که:

• مدارهای SELV باید دارای مسیر جداگانه ای باشد که منحصرا برای آن ها در نظر گرفته شده است. در صورت قرارگیری مدارهای با ولتاژ پائین در کنار مدارهای با ولتاژ بالا، باید از کابل هایی استفاده شود که می توانند حداکثر ولتاژ موجود را تحمل کنند. به عبارت دیگر کابل مدار SELV باید عایق متناسب با بالاترین ولتاژ موجود در مسیر را داشته باشد. به عنوان مثال اگر در مسیر یک مدار 220 ولت وجود داشته باشد، باید از همان نوع کابل برای مدار SELV استفاده کنید.
• پریزهای تعبیه شده برای استفاده از SELV نباید دارای کنتاکت ارت باشند. پریز برق و دوشاخه مدارهای SELV باید خاص بوده تا اتصال سهوی دستگاه ها به ولتاژ متفاوت امکان پذیر نباشد.

PELV چیست؟

PELV مخفف Protection by Extra Low Voltage استفاده از ولتاژ بسیار پایین جهت حفاظت است. این سیستم برای کاربری عمومی و تجهیزاتی طراحی شده که به ولتاژ پائین نیاز دارند. استفاده از این طرح ممکن است جنبه های ایمنی داشته باشد ولی برای محیط های پرخطر در نظر گرفته نمی شود. منظور از محیط های پر خطر مواردی است که در بخش قبلی شرح داده شد. ماهیت PELV شبیه به SELV بوده ولی ممکن است نقطه ای از مدار ثانویه ی آن به زمین متصل شود. استاندارد IEC60364-4-41 دقیقا اهمیت PELV مرجع را شرح می دهد. حفاظت اساسی یا پایه در سیستم PELV ضروری است مگر اینکه یکی از شرایط زیر وجود داشته باشد:

• تجهیزات در زون یا منطقه ی هم بندی با سطح هم ولتاژ وجود داشته باشند.
• ولتاژ سیستم از 25Vrms تجاوز نکند.
• تجهیزات فقط در محیط های خشک استفاده شوند.
• امکان تماس با سطح بزرگی از بدن انسان وجود نداشته باشد.

در تمام موارد دیگر، ولتاژ حداکثر 12Vrms مقداری است که در آن هیچ حفاظت پایه ای ارائه نخواهد شد.

تصویر 1: تغذیه تجهیزات با ولتاژ پائین توسط ترانس ایزوله

ولتاژ بسیار پائین فانکشنال یا عملیاتی یا Functional Extra-Low Voltage: FELV

این طرح هنگامی استفاده می شود که به صورت عملکردی از ولتاژ کمتر از 50 ولت استفاده شده ولی تمام الزامات SELV یا PELV برآورده نمی شود. در استاندارد IEC 60364-4-41  اقدامات خاصی شرح داده شده است که باید به منظور حفاظت اساسی و حفاظت در برابر خطا با توجه به محل و نوع استفاده از این مدارها رعایت شوند.

شرایط استفاده از FELV زمانی ایجاد می شود که مدار دارای تجهیزات ولتاژ پائین بوده که نسبت به مدارهای با ولتاژ بالاتر عایقی کافی ندارند. منظور از تجهیزات با ولتاژ پائین مواردی مانند ترانسفورماتور، رله، سوئیچ های کنترل از راه دور، کنتاکتورها و غیره است.

جداسازی الکتریکی مدارها

جدا سازی الکتریکی مدارها برای کابل های کوتاه با سطح مقاومت عایقی بالا مناسب است. توصیه می شود از این روش برای تغذیه ی بارهای مجزا استفاده شود. در تصویر دیاگرام یک ترانس جداکننده یا ایزوله با کلاس عایقی دوبل را مشاهده می کنید. جداسازی الکتریکی به صورت کلی در مدارهای تکفاز و با اهداف ایمنی صورت می گیرد. در ادامه منطقه جداسازی الکتریکی شرح داده شده است.

تصویر 2: تغذیه ی ایمن تجهیزات از ترانسفورماتور جداکننده ی کلاس 2

همانطور که مشاهده می کنید: دو هادی خروجی از بخش ثانویه ی ترانسفورماتور تکفاز جداکننده، نسبت به زمین عایق هستند. در واقع هیچ کدام از این هادی ها به صورت مستقیم یا از طریق مقاومت زمین نخواهند شد. اگر تماس مستقیم فقط با یکی از هادی های ثانویه ی ترانسفورماتور برقرار شود، جریان بسیار پائینی از طریق بدن فرد عبور می کند.

جریان عبوری از بدن شخص وارد زمین شده و از طریق ظرفیت خازنی ذاتی آن هادی نسبت به زمین، به هادی دیگر باز می گردد. از آنجایی که ظرفیت خازنی هادی نسبت به زمین بسیار پائین است، جریان عبوری از بدن فرد نیز بسیار کوچک خواهد بود. جریان عبوری از بدن فرد در این شرایط حتی قابل تشخیص نیست. با افزایش طول کابل و ظرفیت خازنی آن، جریان عبوری هنگام تماس مستقیم نیز افزایش پیدا می کند. افزایش طول کابل می تواند باعث افزایش ولتاژ و رسیدن آن به مقدار خطرناک برای ایجاد شوک الکتریکی گردد.

در سیستم جدا شده نباید فقط به طول کابل و ظرفیت خازنی توجه شود. گاهی اوقات طول کابل کوتاه بوده و ظرفیت خازنی ناشی از آن هیچ گونه خطری ایجاد نمی کند ولی مقاومت عایقی کابل نسبت به زمین پائین است. کم بودن مقاومت عایقی کابل نیز می تواند منجر به خطر شود. همانطور که شرح داده شد هنگام تماس مستقیم فرد با یکی از هادی ها در شبکه ی جدا شده، جریان از طریق بدن وی وارد زمین شده و به هادی دیگر باز می گردد. در صورت بالا بودن ظرفیت خازنی یا کم بودن مقاومت عایقی، میزان جریان برگشتی و جریان عبوری از بدن فرد افزایش پیدا خواهد کرد. به همین دلیل است که در شبکه ی جدا شده باید از کابل کوتاه با مقاومت عایقی خوب استفاده شود.

ترانسفورماتورهای جدا کننده به صورت ویژه ای طراحی می شوند. این ترانس ها درجه عایقی بالایی بین سیم پیچ اولیه و ثانویه دارند. گاهی اوقات در این ترانس از حفاظت معادل مانند قرار دادن صفحه ی فلزی زمین شده بین دو سیم پیچ نیز استفاده می شود. ترانسفورماتورهای جداکننده طبق استاندارد کلاس 2 عایقی ساخته می شوند. همانطور که شرح داده شد، بهره برداری موفقیت آمیز از این روش مستلزم رعایت کردن موارد زیر است:

• هیچ یک از هادی های برقدار و بخش های فلزی در دسترس مربوط به مدار ثانویه نباید به زمین متصل شود.
• طول کابل ثانویه به منظور کاهش ظرفیت خازنی باید محدود شود. در استاندارد IEC 364-4-41 توصیه شده است که ضرب ولتاژ نامی مدار براساس ولت در طول مدار بر اساس متر نباید از 100.000 عبور کرده و طول مدار نیز از 500 متر تجاوز کند.
• باید مقدار مقامت عایقی بالا برای کابل ها و وسایل برقی حفظ شود.

شرایط فوق عملا استفاده از این اقدام ایمنی را محدود به دستگاه های جداگانه می کند. به منظور تغذیه ی چند دستگاه از یک ترانسفورماتور جداگانه باید الزامات زیر رعایت شود:

• تمام بخش های فلزی و در دسترس تجهیزات باید توسط یک هادی حفاظتی عایق به یکدیگر متصل شوند. این هادی نباید به زمین متصل گردد. تصویر قبل را مشاهده کنید.
• پریزهای استفاده شده در این طرح باید مجهز به کنتاکت ارت باشند. کنتاکت ارت فقط برای اطمینان از اتصال بخش های فلزی و در معرض تجهیزات به یکدیگر استفاده می شود.

در صورت رخ دادن خطای دوم در شبکه ی جدا شده، تجهیزات حفاظت اضافه جریان باید به صورت خودکار مدار را قطع کنند. الزمات استفاده از تجهیزات حفاظت اضافه جریان باید مانند طرح ارتینگ IT در شبکه های قدرت باشد.

تجهیزات کلاس ||

تجهیزات کلاس || دارای یک عایق اصلی و یک عایق مکمل هستند. با توجه به وجود دو عایق در این تجهیزات، به آن ها وسایل عایق دوبل نیز گفته می شود. به منظور نمایش تجهیزات کلاس || یا عایق دوبل از نماد زیر استفاده می شود.

تصویر 3: نماد تجهیزات عایق دوبل

هیچ بخش رسانای تجهیزات عایق دوبل نباید به هادی حفاظتی متصل شود:

• اغلب تجهیزات قابل حمل یا نیمه ثابت، لامپ های خاص و برخی از ترانسفورماتورها به گونه ای طراحی شده اند که دارای عایق دوبل باشند. هنگام بهره برداری از تجهیزات عایق دوبل باید به دقت عمل کرده و مراقب آن ها باشید. تجهیزات عایق دوبل باید به صورت دوره ای و مرتب از نظر وضعیت عایق بررسی شوند. کنترل کنید که بخش های بیرونی تجهیزات عایق دوبل صدمه ندیده باشند. دستگاه های الکترونیک، رادیو و تلویزیون دارای سطح ایمنی معادل وسایل عایق دوبل هستند ولی به صورت رسمی عضو این گروه محسوب نمی شوند.
• عایق تکمیلی در تاسیسات الکتریکی: استاندارد IEC60363-4-41 زیر گروه 413-2 و برخی استانداردهای ملی مانند NFC15-100 فرانسه، اقدامات لازم جهت دستیابی به عایق تکمیلی هنگام کار در تاسیسات را با جزئیات بیشتری شرح می دهند.

یک مثال ساده قرار دادن کابل در لوله های PVC است. این روش ها در خصوص تابلوهای برق نیز شرح داده شده است. استاندارد IEC61439-1 الزامات مورد نیاز در تجهیزات مونتاژ شده را شرح می دهد. این الزمات با عنوان عایق کامل شناخته شده که برای تجهیزات کلاس || است. برخی از کابل ها به عنوان معادل کلاس || در بسیاری از استاندارد ها شناخته می شوند.

تصویر 4: ساختار تجهیزات دارای عایق دوبل طبق IEC60364-4-41 زیر گروه 412

تجهیزات خارج از دسترس یا قرار دادن موانع

ایمنی در این روش با ایجاد فاصله بین بخش های فلزی در دسترس یا قرار دادن مانع بین آن ها انجام می شود. به عبارت دیگر، قسمت های فلزی قابل دسترس به صورت همزمان باید از یکدیگر دور شده یا بین آن ها مانع قرار بگیرد. در هردو حالت باید کف ساختمان عایق شده و غیر رسانا باشد. پیاده سازی این سیستم آسان نبوده و به شرایط خاصی نیاز دارد. در صورت اجرای صحیح این طرح، امکان لمس هم زمان یک بخش فلزی برقدار و یک بخش فلزی با پتانسیل زمین بسیار کاهش پیدا می کند. این موضوع در تصویر بعد نمایش داده شده است. در عمل این طرح فقط در مکان های خشک و با رعایت موارد زیر قابل اجرا است:

• کف و دیوارهای فضای مورد نظر باید عایق باشد. به عبارت دیگر مقاومت هر نقطه نسبت به زمین باید:
  • بیشتر از 50 کیلو اهم در تاسیسات با ولتاژ کمتر-مساوی 500 ولت باشد.
  • بیشتر از 100 کیلو اهم در تاسیسات با ولتاژ بیشتر از 500 ولت و کمتر-مساوی 1000 ولت باشد.

اندازه گیری مقاومت عایقی با میگرهای هندلی یا دارای باتری انجام می شود. برای اندازه گیری باید یک الکترود روی کف یا دیوار و الکترود دیگر روی نزدیک ترین هادی حفاظتی زمین قرار گیرد. در تمام تست ها باید فشار ناحیه تماس الکترود یکسان باشد. شرکت های سازنده ی میگر، الکترودهای مخصوص هر دستگاه را ارائه می کنند. قبل از انجام هرگونه تست باید مطمئن شوید تا از الکترودهای مناسب و مخصوص دستگاه استفاده می کنید.

• قرار دادن تجهیزات و موانع باید به گونه ای باشد که لمس همزمان دو بخش فلزی تجهیزات الکتریکی مانند بدنه ی آن ها یا بخش فلزی یک تجهیز الکتریکی و قسمت فلزی در دسترس، امکان پذیر نباشد.
• هیچ هادی حفاظتی و در دسترسی نباید داخل اتاق وجود داشته باشد.
• ورودی اتاق ها باید به گونه ای طراحی شود تا افراد هنگام ورود در معرض خطر قرار نگیرند. به عنوان مثال فردی که روی سطح رسانا و خارج از اتاق قرار گرفته است، نباید از طریق درگاه ورودی به یک بخش رسانای در معرض مانند یک کلید روشنایی نصب شده در جعبه ی فلزی دسترسی داشته باشد. قابل ذکر است منظور از جعبه های فلزی جعبه های چدنی هستند که بین لوله های فولادی قرار گرفته و برای نصب کلید و پریز استفاده می شوند.

تصویر 5: حفاظت با ایجاد فاصله بین بخش های فلزی و قرار دادن مانع های عایق

اتاق های هم پتانسیل و بدون زمین

اتاق های هم پتانسیل و بدون زمین برای تاسیسات خاصی مانند آزمایشگاه ها در نظر گرفته شده و پیاده سازی آن ها مشکل است. در این طرح تمام بخش های رسانا از جمله کف توسط هادی های بزرگ و مناسب به یکدیگر متصل می شوند. اتصال تمام بخش های فلزی و کف به این علت است که هیچ سطح دارای اختلاف پتانسیل یا اختلاف پتانسیل زیاد ایجاد نشود.

قطعات رسانای خارجی مانند لوله های آب که وارد فضای هم پتانسیل شده و یا از آن خارج می گردند، باید با عایق مناسب پوشانده شوند. تجهیزات فلزی فوق با عایق کاری از شبکه ی هم پتانسیل خارج خواهند شد. در نظر داشته باشید که این بخش های فلزی معمولا خارج از اتاق مورد نظر و در بخش های دیگر تاسیسات به نحوی اتصال زمین شده اند.

خرابی عایق هادی های برقدار و اتصال آن ها به بدنه ی فلزی تجهیزات موجود در اتاق هم پتانسیل، باعث افزایش ولتاژ کل این بخش خواهد شد. اختلاف پتانسیل به اندازه ی ولتاژ فاز به زمین بوده ولی هیچ گونه جریان خطایی در سیستم رخ نمی دهد. در این حالت فرد داخل اتاق در معرض خطر نبوده ولی کسی که در حال ورود است دچار برقگرفتگی خواهد شد. همانطور که می دانید ورود فرد از یک بخش غیر هم پتانسیل به محوطه ی برقدار باعث ایجاد شوک الکتریکی می شود.

برای رفع این مشکل می توان اقدامات احتیاطی خاصی برای حفاظت از پرسنل در نظر گرفت. به عنوان مثال در درگاه ورودی از کف پوش های عایق استفاده کرده و آموزش های لازم به پرسنل داده شود. به منظور تشخیص خرابی عایق ها نیاز به تجهیزات خاصی در این سیستم است. معمولا از بین رفتن عایق ها جریان بالایی ایجاد نکرده و به سادگی قابل شناسایی نیستند.

تصویر 6: هم بندی برای هم پتانسیل کردن تمام بخش های فلزی در دسترس به صورت همزمان