RCD چیست؟

RCD مخفف Residual Current Devices به معنی دستگاه جریان باقی مانده است. دستگاه های جریان باقی مانده یا RCD به شکل های مختلفی تولید می شوند. این تجهیزات می توانند به صورت بریکر، ماژول کمکی یا رله های الکتریکی در مدار قرار بگیرند. بریکرها به شکل های مختلفی تولید شده و با عنوان کلید محافظ جان، کلید نشتی جریان و جریان باقی مانده شناخته می شوند. در ادامه نگاهی به انواع تجهیزات RCD و تیپ آن ها خواهیم داشت.

عملکرد RCD یا دستگاه های جریان باقی مانده

ویژگی های اساسی RCD ها در تصویر زیر آورده شده است. در بخش اول یک هسته ی مغناطیسی وجود دارد که تمام هادی های حامل جریان مدار الکتریکی از داخل آن عبور می کنند. شار مغناطیسی تولید شده در هسته به مجموع برداری جریان های عبوری از هادی ها در تمام لحظات بستگی دارد. جریان هایی که در یک جهت عبور می کنند، به عنوان جریان مثبت در نظر گرفته شده و با I1 نمایش داده می شوند. در طرف مقابل جریان های برگشتی وجود دارند که با علامت منفی و I2 تصور خواهند شد.

در یک مدار نرمال و بدون ایراد، جمع برداری جریان ها برابر با صفر بوده و هیچ شاری در هسته ی مغناطیسی تولید نمی شود. صفر بودن جمع برداری جریان ها به صورت \(\overrightarrow{I1}+\overrightarrow{I2}=0\) نمایش داده می شود. با توجه به عدم وجود شار مغناطیسی در هسته، میزان emf داخل کویل نیز صفر خواهد بود. منظور از emf Electromotive force یا نیرو محرکه الکتریکی است. هنگام رخ دادن خطای زمین یا earth-fault جریان Id از داخل هسته به سمت محل خطا عبور کرده ولی از طریق زمین یا هادی حفاظتی در سیستم TN به منبع باز می گردد. در شرایط فوق، تعادل بین جریان هادی های رفت و برگشت از بین می رود. به عبارت دیگر میزان جریان رفت با جریان برگشت برابر نبوده و این تفاوت باعث ایجاد شار مغناطیسی در هسته خواهد شد. اختلاف جریان با عنوان باقی مانده یا residual شناخته شده و عملکرد بر اساس آن به شکل جریان باقی مانده یا residual current تعریف می گردد.

تصویر 1: اصل عملکرد تجهیزات جریان باقی مانده یا RCD

تجهیزات جریان باقی مانده با دو تکنولوژی مختلف کار می کنند. مدل اول به صورت VI یا مستقل از ولتاژ بوده که دیاگرام آن را در بخش a از تصویر مشاهده می کنید. در تکنولوژی مستقل از ولتاژ، شار متناوب ایجاد شده در هسته باعث تولید emf در بوبین آن می شود. به عبارت دیگر جریان I3 به سمت کویل تریپ هدایت خواهد شد. مسیر جریان I3 در تصویر قبل نمایش داده شده است. اگر جریان باقی مانده از مقدار مورد نیاز برای عملکرد بخش تریپ به صورت مستقیم یا توسط رله ی الکترونیک عبور کند، بریکر مربوطه تریپ خواهد شد. در این مدل انرژی مورد نیاز برای مکانیزم تریپ به صورت مستقیم توسط جریان باقی مانده تولید شده و به ولتاژ بستگی ندارد. دستگاه جریان باقی مانده با این تکنولوژی قادر است در صورت عبور جریان خطا از مقدار مجاز، فرمان قطع را در هر شرایطی از ولتاژ منبع حتی هنگام افت ولتاژ کمتر از 50 ولت یا قطع هادی خنثی صادر کند.

دیاگرام مدل VD یا وابسته به ولتاژ در بخش b تصویر آورده شده است. در این تکنولوژی نیز یک ترانسفورماتور جمع کننده، میزان جریان باقی مانده را اندازه گیری کرده و به بخش الکترونیک ارسال خواهد کرد. بخش الکترونیک سطح جریان را بررسی کرده و در صورت عبور آن از مقدار مجاز، فرمان قطع را به واحد تریپ ارسال می کند. واحد تریپ باعث باز شدن بریکر و حفاظت مدار مربوطه خواهد شد. در این مدل انرژی مورد نیاز مدار الکترونیک و واحد تریپ از طریق ولتاژ خط تامین خواهد شد. با استفاده از فناوری VD، دستگاه قادر به تشخیص جریان باقی مانده بوده ولی در صورت کاهش بیش از حد ولتاژ نمی تواند مدار را قطع کند. تاکید می شود که بخش الکترونیک و واحد تریپ نیاز به تغذیه داشته و ولتاژ خط هنگام خطا باید حداقل 50 ولت باشد تا تریپ بریکر صورت گیرد. بریکرهای وابسته به ولتاژ از نظر جهت نصب نیز بسیار حساس بوده و در صورت اتصال اشتباه ورودی و خروجی به صورت کامل از بین خواهند رفت. طبق تصویر تغذیه ی بخش الکترونیک از خروجی بریکر بوده و پس از عملکرد آن باید قطع شود. در صورت اتصال اشتباه ورودی و خروجی با رخ دادن خطا، بخش الکترونیک فرمان قطع را صادر می کند ولی پس از باز شدن بریکر تغذیه ی آن قطع نخواهد شد. وجود تغذیه هنگام خطا باعث تداوم در صدور فرمان قطع شده و در عرض چند ثانیه واحد الکترونیک صدمه می بیند.

تصویر 2: دو تکنولوژی تجهیزات جریان باقی مانده

انواع کلید نشتی جریان یا RCD

دستگاه جریان باقی مانده  یا RCD اغلب به صورت داخلی یا خارجی با تجهیزات زیر مرتبط می شوند:

• بریکرهای صنعتی کامپکت یا MCCB و هوا یا ACB مطابق با استاندارد IEC60947-2 ضمیمه B یا M
• بریکرهای صنعتی مینیاتوری  مطابق با استاندارد IEC60947-2 ضمیمه B یا M
• بریکرهای مینیاتوری برای مصارف خانگی یا موارد مشابه مطابق با استانداردهای IEC60898، IEC61008، IEC61009 و IEC62423
• سوئیچ های بار باقی مانده مطابق با استانداردهای ملی خاص
• رله با ترانسفورماتور جریان جداگانه یعنی رله ارت فالت به همراه ترانس کوربالانس به صورت حلقوی مطابق با استاندارد IEC60947-2 ضمیمه M

استفاده از دستگاه های جریان باقی مانده در طرح ارتینگ TT الزامی است. هماهنگی یا کوردینه سازی تجهیزات جریان باقی مانده در این طرح بسیار مهم بوده تا از عملکرد همزمان جلوگیری شود. عملکرد چند تجهیز حفاظتی به صورت همزمان باعث ایجاد خاموشی های گسترده و از دست رفتن تداوم سرویس دهی خواهد شد.

بریکرهای صنعتی با ماژول های داخلی و ماژول های خارجی RCD

واحد تشخیص جریان باقی مانده می تواند به صورت داخلی یا خارجی استفاده شود. ماژول داخلی در واقع همان واحد تریپ بریکر است که ضمن حفاظت های اضافه جریان، فانکشن هایی را در خصوص جریان باقی مانده ارائه می کنند. این مدل در بریکرهای کامپکت و هوا قابل اجرا بوده و قابلیت هماهنگی حفاظتی از نظر میزان جریان خطا و زمان را دارد. الزامات بریکرهای صنعتی با RCD داخلی در استاندارد IEC60947-2 و ضمیمه ی B آن شرح داده شده است.

روش بعدی استفاده از ماژول های خارجی RCD است. این واحد ها قابل اتصال به بریکرهای مینیاتوری و کامپکت بوده و هنگامی استفاده می شوند که به یک ماژول کمکی RCD نیاز است. ماژول های اضافی با توجه به مدل می توانند روی ریل های استاندارد نصب شوند. واحد RCD فقط وضعیت جریان باقی مانده را بررسی کرده و در صورت نیاز، فرمان قطع را به بریکر اصلی ارسال می کند. صدور فرمان در این مدل اغلب به صورت مکانیکی و توسط اهرم ها یا زبانه ها انجام می شود.

تصویر 3: بریکرهای صنعتی با ماژول جریان باقی مانده

بریکرهای مینیاتوری خانگی و موارد مشابه با RCD

در مدارهای خانگی و موارد مشابه از بریکرهای جریان باقی مانده به صورت جداگانه یا ترکیبی استفاده می شود. بریکرهای جریان باقی مانده با عبارت residual current circuit breake یا RCCB مشخص شده و تنها قابلیت تشخیص و حفاظت مدار در برابر خطای زمین را دارند. به عبارت دیگر RCCB هیچ حفاظتی در برابر اضافه جریان مانند اتصال کوتاه و اضافه بار ندارد. این بریکرها از نظر میزان جریان و تیپ به صورت ثابت تولید شده و قابل تنظیم نیستند.

بریکر ترکیبی حاصل ادغام خصوصیات بریکر معمولی با خصوصیات RCD است. این بریکرها قابلیت تشخیص اتصال کوتاه، اضافه بار و خطای زمین را دارند. بریکرهای ترکیبی نیز از نظر میزان جریان و زمان تاخیر قابل تنظیم نبوده و در تیپ های ثابت ساخته می شوند. بریکرهای خانگی با RCD داخلی در استانداردهای IEC60898، IEC61008، IEC61009 و IEC62423 بررسی شده اند. در تصویر یک ورودی با واحد RCD تاخیری یا تیپ S و یک بریکر جریان باقی مانده یا RCCB را مشاهده می کنید.

تصویر 4: بریکرهای جریان باقی مانده خانگی جهت حفاظت خطای زمین یا نشتی جریان

تجهیزات جریان باقی مانده با ترانسفورماتور حلقوی جداگانه

این مدل RCD با عنوان های مختلفی مانند رله ارت فالت، رله ی خطای زمین یا رله جریان باقی مانده شناخته می شود. رله جریان باقی مانده دارای یک ترانس جریان حلقوی جداگانه بوده و فقط می تواند یک سیگنال الکتریکی صادر کند. از کنتاکت فرمان این رله برای قطع بوبین آندر ولتاژ یا وصل بوین شنت تریپ بریکر بالا دست استفاده می شود. این دستگاه دارای پارامترهای جریان و زمان بوده و به خوبی با RCD های دیگر هماهنگ می گردد. دستگاه تشخیص جریان باقی مانده با ترانس حلقوی جداگانه باید مطابق با استاندارد IEC60947-2 ضمیمه ی M باشد.

تصویر 5: رله تشخیص جریان باقی مانده یا ارت فالت با ترانسفورماتور حلقوی جداگانه

تیپ های RCD

جریان نشتی یا باقی مانده هنگام رخ دادن خطا می تواند شکل موج های مختلفی داشته باشد. شکل موج جریان خطا به محل رخ دادن آن و ویژگی های بار بستگی دارد. طبق استاندارد IEC60755 انواع RCD های زیر جهت حفاظت شکل های مختلف جریان باقی مانده تعیین شده اند:

تیپ AC

دستگاه تیپ AC توانایی تشخیص جریان باقی مانده ی متناوب سینوسی را دارد. RCD های تیپ AC برای کاربری های عمومی مناسب بوده و در عمل اکثر کاربردها را پوشش می دهند.

تیپ A

تیپ A علاوه بر ویژگی های تیپ AC یعنی شناسایی جریان باقی مانده سینوسی متناوب، می تواند جریان های باقی مانده به صورت پالس های DC را شناسایی کند. چنین شکل موج هایی می تواند توسط دیود یا تریستور در مدار یکسوساز بارهای الکترونیک ایجاد شود. دستگاه جریان باقی مانده یا RCD تیپ A به صورت خاص برای استفاده در بارهای الکترونیک تکفاز و کلاس 1 در نظر گرفته شده است.

تیپ F

دستگاه تیپ F یک نوع جدید RCD است که اخیرا در استاندارد IEC62423 و IEC60755 معرفی شده است. کلاس F علاوه بر ویژگی های تشخیصی تیپ A، به صورت ویژه برای حفاظت مدارهای تکفازی ساخته شده است که می توان در آن ها از درایوهای کنترل سرعت استفاده کرد. شکل موج جریان باقی مانده در مدارهای دارای درایو ترکیبی از چند فرکانس شامل فرکانس موتور، فرکانس سوئیچینگ درایو و فرکانس خط می باشد.

امروزه جهت افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژی الکتریکی، استفاده از مبدل های فرکانس در بارهای خاص مانند ماشین های لباسشوئی، تهویه مطبوع و غیره در حال افزایش است. دستگاه جریان باقی مانده ی تیپ F می تواند حفاظت از مدارهای الکتریکی با لوازم جدید و دارای درایو را انجام دهد. یکی از خصوصیات دیگر RCD تیپ F، مقاومت در برابر اغتشاشات و عدم تریپ هنگام رخ دادن جریان های شدید و هجومی است. این RCD ها حتی می توانند جریان مستقیم خالص 10 میلی آمپر را که روی جریان سینوسی یا پالس های DC تفاضلی قرار گرفته شناسایی و باعث قطع مدار شوند.

تیپ B

RCD تیپ B علاوه بر جریان های سینوسی، پالس های DC و ترکیب چند فرکانس می تواند جریان باقی مانده ی DC و یکنواخت را شناسایی کند. شرایط تریپ این بریکر با فرکانس های مختلف از 50 تا 1 کیلو هرتز تعیین شده است. در یک شبکه ی توزیع برق AC، جریان باقی مانده ی خالص DC اغلب توسط یکسوسازهای سه فاز و گاها یکسوسازهای تکفاز خاص تولید می شود. RCD تیپ B برای بارهای دارای یکسوساز سه فاز مانند درایوهای کنترل سرعت، سیستم های خورشیدی، ایستگاه های شارژ خودروهای الکتریکی و تجهیزات پزشکی طراحی شده است.

خلاصه ای از تعریف تیپ های مختلف RCD، کاربرد و شکل موج ها در جدول زیر آورده شده است. همانطور که مشاهده می کنید، انواع مختلف RCD ها مانند AC، A، F و B به صورت تودرتو و مرحله ای قرار گرفته اند. به عبارت دیگر تیپ های بالا می توانند خصوصیات بریکرهای پائین تر را پوشش دهند. مثلا بریکر تیپ B تمام الزامات تیپ های F، A و AC را برآورده می کند.

جدول انواع مختلف RCD

ضمیمه ی B استاندارد IEC60755 خصوصیات چهار بار الکترونیک مختلف را به همراه شکل موج های ممکن بار و جریان نشتی ارائه می کند. این اطلاعات به منظور انتخاب RCD مناسب برای هر گروه از بارها تهیه شده اند.

جدول جریان های خطای ممکن در بارهای الکترونیک و RCD های مناسب طبق استاندارد IEC60755