حفاظت در برابر اضافه جریان

اضافه جریان چیست؟

مدارها و تجهیزات الکتریکی جهت عبور مقدار مشخصی از جریان طراحی شده اند. عبور جریان بیش از حد می تواند آثار مخربی مانند آتش سوزی، برق گرفتگی، از بین رفتن تجهیزات و غیره را در پی داشته باشد. در تمام مدارها باید از عبور جریان غیر مجاز جلوگیری شود. یکی از روش های حفاظت از مدارها، جداسازی خودکار هنگام تجاوز جریان عبوری از مقدار مجاز است. این طرح با عنوان حفاظت در برابر اضافه جریان یا حفاظت جریانی شناخته می شود. حفاظت در برابر اضافه جریان یکی از پایه ای ترین حفاظت های الکتریکی است.

اضافه جریان به معنی تجاوز جریان عبوری یک بخش خاص از مقدار مشخص شده است. به عنوان مثال یک هادی الکتریکی با جریان مجاز 10 آمپر را در نظر بگیرید. تمام جریان های بالاتر از 10 آمپر در این هادی اضافه جریان محسوب می شوند. اضافه جریان تنها مخصوص هادی ها نیست. مصرف کننده یا بارهای الکتریکی نیز دارای رنج مشخصی از جریان دریافتی هستند. الکتروموتورها، ترانسفورماتورها، خازن ها و غیره باید در برابر اضافه جریان محافظت شوند. جریان مجاز هادی ها و تجهیزات در جدول ها و پلاک ها مشخص شده است. سیستم های حفاظت اضافه جریان باید به گونه ای طراحی شوند تا جریان های بالاتر از مقدار مجاز را شناسایی و در زمان مناسب قطع کنند. زمان قطع اضافه جریان به نوع آن بستگی دارد.

تصویر 1 پلاک الکتروموتور 22 کیلو وات با جریان 40.5 آمپر در ولتاژ 400 ولت با فرکانس 50 هرتز و اتصال مثلث

انواع اضافه جریان

اضافه جریان به صورت Over Current تعریف شده و دو زیر گروه کلی شامل اتصال کوتاه و اضافه بار دارد. اتصال کوتاه با اصطلاح Short Circuit و اضافه بار با اصطلاح Over Load شناخته می شود. حفاظت در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه با ادوات مختلفی مانند فیوز، بریکر، بی متال، رله های الکترونیک و غیره صورت می گیرد. گاهی اوقات هردو حفاظت در برابر اتصال کوتاه و حفاظت در برابر اضافه بار فقط توسط یک تجهیز انجام می شود. به عنوان مثال یک فیوز مناسب می تواند از هادی ها در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار حفاظت کند. در برخی از تجهیزات حساس مانند ژنراتورها و موتورها به ادوات مختلفی برای حفاظت در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه نیاز است. هرگونه انتخاب اشتباه تجهیزات حفاظتی می تواند صدمات جدی در پی داشته باشد. در ادامه مفهوم اتصال کوتاه و اضافه بار شرح داده شده است.

اتصال کوتاه یا S.C

اختلاف پتانسیل یک پارامتر اساسی جهت کار کردن تاسیسات و بارهای الکتریکی است. اختلاف پتانسیل در تاسیسات الکتریکی با واحد ولت و حداقل بین دو هادی یا سطح متفاوت تعریف می شود. به عنوان مثال ولتاژ شبکه ی فشار ضعیف و تکفاز در ایران 220 ولت است. این اختلاف پتانسیل بین هادی فاز و نول وجود داشته و با عبارت ولتاژ فاز شناخته می شود.

اختلاف پتانسیل مدارهای سه فاز با سطح فشار ضعیف در ایران 400 ولت است. این اختلاف پتانسیل بین فازهای مختلف وجود داشته و با اصطلاح ولتاژ خط شناخته می شود. در شبکه های فشار متوسط و بالاتر نیز اختلاف پتانسیل به شکل فاز و خط تعریف شده ولی مقادیر بیشتری دارد. در این شبکه ها از واحد کیلو ولت برای بیان اختلاف پتانسیل استفاده می شود.

اختلاف پتانسیل علت اصلی جاری شدن جریان در مدار و کار کردن تجهیزات است. اختلاف پتانسیل باید با مقدار مشخص در ترمینال های بار قرار بگیرد تا به فرم های دیگر انرژی تبدیل شود. مثلا اختلاف پتانسیل 400 ولت در ترمینال های یک الکترومتور باعث تبدیل آن به انرژی مکانیکی خواهد شد. میزان جریان دریافتی الکتروموتور با توجه به اختلاف پتانسیل ورودی و توان آن مشخص می گردد.

تمام بارها دارای مقاومت بوده و از عبور جریان بیش از حد جلوگیری می کنند. به علت وجود مقاومت داخل بارها است که ما می توانیم از آن ها در شبکه های الکتریکی به صورت ایمن استفاده کنیم. در صورت کاهش مقاومت، جریان الکتریکی شدت پیدا کرده و باعث افزایش حرارت و آتش سوزی می شود.

در ویدئوی زیر که برگرفته از دوره ی تصویری فیوزها و بریکرهای فشار ضعیف است اثر حرارتی عبور اضافه جریان روی سیم را مشاهده میکنید:

اتصال کوتاه را می توان به صورت کاهش شدید مقاومت بین حداقل دو سطح با اختلاف پتانسیل متفاوت تعریف کرد. به عنوان مثال اتصال مستقیم هادی فاز به نول را تصور کنید. در این حالت 220 ولت اختلاف پتانسیل وجود داشته ولی مقاومتی در مسیر آن نیست. عدم وجود مقاومت باعث افزایش شدید جریان در نقطه ی اتصال می شود. در تصویر زیر اتصال کوتاه بین دو الکترود آند و کاتد با اختلاف پتانسیل UAC را مشاهده می کنید.

تصویر 2 اتصال کوتاه بین دو الکترود با اختلاف پتانسیل متفاوت

جریان اتصال کوتاه از شبکه ی بالادست دریافت شده و به حرارت، تنش مکانیکی و آرک تبدیل خواهد شد. با افزایش اختلاف پتانسیل و توان، خطرات اتصال کوتاه نیز افزایش پیدا می کند. اتصال کوتاه در شبکه های اصلی فشار ضعیف و سمت LV ترانسفورماتورها می تواند تا چند هزار آمپر افزایش پیدا کند.

تصویر 3 جاری شدن جریان از بالادست به سمت نقطه ی اتصال کوتاه

اتصال کوتاه فقط مربوط به سطح فشار ضعیف نمی شود. انرژی الکتریکی در نیروگاه ها با فاصله ی بسیار زیاد از مصرف کننده ها تولید می شود. در مسیر انرژی الکتریکی تجهیزات زیادی مانند ژنراتورها، ترانسفورماتورها، شینه ها، هادی ها و غیره وجود دارند. تمام این تجهیزات دارای اختلاف پتانسیل با مقادیر متفاوت و بسیار بالا هستند. در صورت کاهش مقاومت بین این سطوح نیز افزایش جریان و تنش های حرارتی و مکانیکی ایجاد می شود.

اتصال کوتاه یک نقص الکتریکی بوده و بعلت از دست رفتن عایق بین هادی ها با اختلاف پتانسیل متفاوت ایجاد می شود. به عنوان مثال از بین رفتن عایق بین سیم پیچ های یک الکتروموتور را در نظر بگیرید. این خطا باعث افزایش جریان دریافتی الکتروموتور از شبکه خواهد شد. از دست رفتن خاصیت عایقی می تواند در انواع سیم ها و کابل ها نیز رخ دهد. از علت های اصلی شکست یا از دست رفتن عایق سیم ها و کابل ها می توان به اضافه ولتاژ، حرارت، صدمات مکانیکی، وجود مواد شیمیایی، حیوانات موذی و غیره اشاره کرد.

تصویر 4 منحنی جریان اتصال کوتاه

اضافه بار یا O.L

اضافه بار یا O.L اغلب یک خطای غیر الکتریکی و بیرونی است. اضافه بار در ماشین های الکتریکی می تواند بعلت های مختلف مانند اشکالات مکانیکی رخ دهد. به عنوان مثال خراب شدن بلبرینگ های الکتروموتور، قرار گرفتن بار اضافی روی ماشین آلات، گیر کردن قسمت های مکانیکی و غیره باعث افزایش جریان خواهد شد.

تصویر 5 اضافه بار بعلت مشکل مکانیکی

جریان اضافه بار آنقدر شدید نبوده که بلافاصله تنش های مکانیکی و آتش سوزی ایجاد کند. این جریان باعث افزایش حرارت شده و باید در یک زمان مشخص قطع شود. قطع آنی اضافه بار باعث جلوگیری از عملکرد نرمال تجهیزات خواهد شد. برای درک بهتر، اضافه بارهای موقت و جریان های راه اندازی ماشین های الکتریکی را تصور کنید. اگر مدار الکتریکی با رخ دادن هر یک از این خطاها متوقف شود، ماشین آلات نمی توانند درست کار کنند. اضافه بار های دائم باعث افزایش حرارت در هادی ها و ماشین آلات خواهد شد. حرارت طولانی مدت باعث آسیب به عایق شده و در نهایت باعث اتصال کوتاه می شود.

تصویر 6 افزایش حرارت در تجهیزات بعلت رخ دادن اضافه بار

به منظور حفاظت اضافه بار اغلب از رله های زمان دار استفاده می شود. این رله ها دارای یک زمان تاخیر ثابت یا معکوس هستند. رله های زمان معکوس در حفاظت اضافه بار بسیار مفید تر بوده و می توانند زمان قطع را بر اساس جریان عبوری از مدار تعیین کنند. رله های زمان معکوس به شکل حرارتی یا الکترونیک در بازار وجود دارند. به عنوان مثال بخش دوفلزی یا حرارتی موجود در بریکرها و بی متال ها دارای مشخصه ی زمان-معکوس است. این عنصر با افزایش جریان سریع تر خم شده و زودتر فرمان تریپ را صادر می کند. رله های حرارتی دارای خطا بوده و دمای محیط روی آن ها تاثیر گذار است. برای رفع این مشکل از رله های الکترونیک استفاده می شود. رله های الکترونیک در بریکرها یا به صورت مجزا قابل نصب هستند.

تصویر 7 منحنی زمان-معکوس رله های اضافه بار با کلاس های مختلف

تفاوت اتصال کوتاه و اضافه بار

پیامدهای جریان اتصال کوتاه و اضافه بار یکسان نیست. جهت حفاظت اتصال کوتاه و اضافه بار ممکن است از یک یا چند دستگاه مجزا استفاده شود. به صورت کلی می توان جریان اتصال کوتاه و اضافه بار را به این شکل با یکدیگر مقایسه کرد:

علت رخ دادن

اتصال کوتاه یک خطای الکتریکی بوده و بعلت از دست رفتن عایق بین دو سطح با اختلاف پتانسیل رخ می دهد. پس از رخ دادن اتصال کوتاه در اغلب شرایط نیاز به عیب یابی و رفع اشکال است. به عنوان مثال اتصال کابل یا سرکابل را در نظر بگیرید. در این شرایط باید نقطه عیب را مشخص کرده و از مفصل یا سرکابل استفاده کرد. اتصال کوتاه ممکن است در اثر بهره برداری اشتباه یا خطای انسانی نیز رخ دهد. به عنوان مثال افتادن ابزار بین شینه های تابلو برق را تصور کنید. در این حالت عایق نرمال تجهیزات از بین نرفته و اتصال کوتاه بعلت یک پدیده ی بیرونی رخ می دهد. این خطا می تواند آرک و صدمات شدیدی ایجاد کرده و از برگشت تاسیسات به مدار جلوگیری کند. در این حالت باید محل خطا به دقت بررسی شده و رفع عیب احتمالی شود.

اضافه بار معمولا غیر الکتریکی بوده و بعلت های مکانیکی رخ می دهد. پس از رخ دادن اضافه بار باید ریشه ی آن را شناسایی و برطرف کرد. خطای اضافه بار قابل ریست بوده و می توان ماشین آلات را پس از رفع اشکال، مجدد راه اندازی کرد. از طرفی اضافه بار در برخی از تجهیزات مانند خازن ها و ژنراتورها می تواند وابسته به کمیت های الکتریکی خارج از تجهیز مانند ولتاژ، هارمونیک و غیره باشد. تفاوت اصلی اتصال کوتاه و اضافه بار در میزان جریان ناشی از آن ها و صدمات ایجاد شده است.

میزان جریان و زمان

میزان جریان خطا در اتصال کوتاه به مقاومت نقطه ی خطا بستگی دارد. در صورت کم بودن یا صفر بودن مقاومت، میزان جریان خطا به شدت بالا خواهد بود. جریان اتصال کوتاه مخرب بوده و بلافاصله باید قطع شود. در تجهیزات حفاظتی ممکن است از وقفه های بسیار کوتاه و کمتر از ثانیه برای هماهنگی حفاظتی استفاده شود. از پیامدهای اتصال کوتاه می توان به آرک، آتش سوزی، تنش های مکانیکی و حرارتی اشاره کرد.

دامنه ی جریان اضافه بار معمولا چند برابر جریان نرمال است. مثلا یک الکتروموتور در حالت رتور قفل شده می تواند جریانی تا 10 برابر جریان نامی داشته باشد. این جریان ممکن است با توجه به ساختار ماشین، کمتر یا بیشتر باشد. جریان اضافه بار به صورت آنی باعث ایجاد خسارت خواهد شد. برای حفاظت اضافه بار اغلب از روش های زمان-مکعوس استفاده می گردد.

انواع حفاظت در برابر اضافه جریان

تمام ادوات حفاظت در برابر اضافه جریان بر اساس اثر عبور جریان از مدار عمل می کنند. عبور جریان از مدار باعث تولید حرارت و میدان مغناطیسی ایجاد می شود. روش استفاده از اثر عبور جریان به شکل حفاظت اولیه یا ثانویه تعریف می شود. حفاظت اولیه و ثانویه در تاسیسات فشار ضعیف و بالاتر کاربرد دارد. در تاسیسات فشار ضعیف با آمپراژ پائین اغلب از حفاظت اولیه استفاده می شود. درک مفهوم حفاظت اولیه و ثانویه در بررسی و طراحی سیستم های حفاظتی اهمیت پیدا می کند.

تصویر 8 عبور جریان در یک هادی

حفاظت اولیه

حفاظت اولیه یا Primary به معنی قرار گرفتن تجهیزات در مسیر عبور مستقیم جریان است. این روش با عنوان حفاظت مستقیم نیز شناخته می شود. در حفاظت اولیه از یک یا چند تجهیز به صورت سری با مدار استفاده می گردد. از اثر مستقیم عبور جریان می توان به حرارت اشاره کرد. حرارت ایجاد شده در هادی ها، ناشی از عبور الکترون های آزاد از سطح مقطع آن است. در صورت کنترل نشدن حرارت، پوشش عایق سیم ها و کابل ها از بین خواهد رفت. آسیب به عایق سیم ها و کابل ها در نهایت باعث نشتی جریان، برقگرفتگی، اتصال کوتاه و آتش سوزی می شود.

تصویر 9 تفاوت دما هنگام عبور حجم مختلفی از الکترون های آزاد

اثر حرارتی عبور اضافه جریان از مدار توسط فیوزها، بریکرها و رله های بی متال شناسایی می شود. عبور جریان بیش از حد باعث تولید حرارت در فیوز و سوختن لینک داخلی آن می شود. در بریکرهای معمولی این حرارت باعث خم شدن بخش بی متال یا دو فلزی خواهد شد. بخش دوفلزی یا بی متال به شکل زمان-معکوس بوده و جهت شناسایی اضافه بار استفاده می شود.

تصویر 10 سوختن فیوز در اثر اضافه جریان

در بریکرهای فشار ضعیف با آمپراژ پائین تا متوسط از کویل های مغناطیسی به صورت مستقیم نیز استفاده می شود. این کویل در مسیر عبور جریان قرار داشته و می تواند میدان مغناطیسی قوی تری تولید کند. میدان مغناطیسی ناشی از عبور جریان های سنگین از این کویل به حرکت مکانیکی تبدیل شده و فرمان تریپ را صادر می کند. بخش مغناطیسی در انواع بریکرها جهت شناسایی جریان اتصال کوتاه استفاده می شود. این بخش بدون تاخیر زمانی بوده و اصطلاحا عملکرد آنی دارد. اجزای داخلی بریکرها در ادامه بیشتر بررسی خواهند شد.

تصویر 11 اجزای داخلی بریکر میناتوری شامل کویل و بخش دو فلزی

حفاظت ثانویه

در حفاظت در برابر اضافه جریان یک روش دیگر با عنوان ثانویه یا Secondary نیز وجود دارد. این روش به معنی اندازه گیری اثر عبور جریان به صورت غیر مستقیم است. در روش ثانویه از میدان مغناطیسی اطراف هادی جهت سنجش جریان عبوری از آن استفاده می شود. اندازه گیری غیر مستقیم توسط ترانس جریان یا Current Transformer انجام شده که می تواند کاربردهای مختلفی داشته باشد. خروجی ترانس جریان در نهایت به تجهیزات اندازه گیری یا رله های حفاظتی متصل خواهد شد. برخی از ترانس های جریان دارای چند خروجی بوده که می توانند حالت های متنوعی را پوشش دهند.

تصویر 12 ترانس جریان

اندازه گیری جریان جهت نمایش مقادیر با ترانس های اندازه گیری صورت می گیرد. ترانس های اندازه گیری دارای دقت های مختلفی هستند. جهت پیاده سازی حفاظت اضافه جریان باید از CT های حفاظتی استفاده شود. ترانس جریان حفاظتی دارای مشخصه های متفاوتی در مقایسه با ترانس اندازه گیری است. ترانس های حفاظتی می توانند معمولی یا کور بالانس باشند.

جریان باقی مانده

خارج شدن جریان از مسیر اصلی خود یکی دیگر از خطاها محسوب می شود. به عنوان مثال برخورد مستقیم با هادی های الکتریکی را در نظر بگیرید. در این حالت جریان از مسیر اصلی خود خارج شده و وارد بدن فرد می شود. این جریان ممکن است حجم بالایی نداشته و باعث عملکرد فیوزها و بریکرها به صورت آنی نشود. نشتی جریان یا خطای زمین بعلت اشکال در عایق سیم ها، کابل ها و تجهیزات الکتریکی نیز رخ می دهد. این جریان بین یکی از هادی های برقدار و زمین ایجاد شده و با اتصال کوتاه تفاوت دارد. نشتی جریان می تواند باعث شوک و آتش سوزی الکتریکی شود.

تصویر 13 جریان نشتی و آتش سوزی الکتریکی

با توجه به کم بودن جریان نشتی یا جریان باقی مانده نمی توان آن را در گروه حفاظت اضافه جریان قرار داد. جهت تشخیص خارج شدن جریان از مسیر اصلی خود از RCD ها استفاده می شود. حفاظت جریان باقی مانده به صورت غیر مستقیم و توسط ترانس کوربالانس صورت می گیرد. حفاظت با RCD ها در کتاب های دیگر به صورت کامل شرح داده شد.

تصویر 14 بریکر جریان باقی مانده یا RCCB

دیگر فانکشن های حفاظت جریانی

نوع حفاظت جریانی و فانکشن های آن به اهمیت تاسیسات پائین دست و حساسیت تجهیزات بالادست بستگی دارد. اهمیت تجهیزات پائین دست نوع فانکشن ها را تعیین می کند. به عنوان مثال برای حفاظت سیم ها و کابل ها دو فانکشن اضافه بار و اتصال کوتاه کافی است. از فانکشن های مهم در حفاظت جریانی مدارهای نهایی و منازل می توان به جریان باقی مانده اشاره کرد. حفاظت جریان باقی مانده با انواع RCD انجام خواهند شد.

فانکشن های حفاظت اضافه جریان در الکتروموتورها می تواند به شکل اتصال کوتاه، اضافه بار، عدم تعادل جریان، کاهش جریان، خطای زمین و غیره باشد. حفاظت اتصال کوتاه و اضافه بار در فیدر الکتروموتور با فیوز یا بریکر انجام می شود. برای پوشش حفاظت های دیگر می توان از بریکر با رله های الکترونیک یا رله های اضافه بار و مراکز دیجیتال کنترل موتور استفاده کرد.

فانکشن های جریانی در ژنراتورها و شبکه های الکتریکی پیچیده تر می شوند. به عنوان مثال در شبکه های فشار متوسط و بالاتر از حفاظت های جریانی جهت دار نیز استفاده می شود. حفاظت های جهت دار دارای نمونه های ولتاژ و جریان به صورت همزمان هستند.

این وب سایت دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد اطلاعات آن غیرمجاز است. لطفا در صورت مشاهده هرگونه سوء استفاده ما را مطلع کنید.