به طور کلی، در مدارهای فشار ضعیف (LV)، یک تجهیز حفاظتی بسته به حداکثر قابلیت قطع خود می‌تواند از مدار در برابر تمام سطوح جریان، از آستانه اضافه‌بار تا جریان قطع اتصال کوتاه نامی دستگاه، محافظت کند. تجهیز حفاظتی باید بتواند پیش از حداکثر زمان مجاز تعیین‌شده عمل کند تا ایمنی افراد و مدار را برای تمام جریان‌های اتصال کوتاه یا جریان‌های خطایی که ممکن است رخ دهد، تضمین کند. برای بررسی این رفتار، محاسبه حداقل جریان اتصال کوتاه ضروری است. در این مقاله، نحوه محاسبه جریان اتصال کوتاه مینیمم و حداکثر طول مجاز کابل برای تضمین عملکرد درست کلیدهای حفاظتی را شرح می‌دهیم.
دوره کاربردی محاسبات اتصال کوتاه ماهر یکی از دوره‌های بسیار سودمند ماهر است که روش‌های مختلف انجام محاسبات اتصال کوتاه که برای طراحی یک سیستم ایمن لازم و ضروری است را بر مبنای استانداردهای بین‌المللی آموزش داده شده است.
مدارهای حفاظتی با حفاظت اضافه‌بار و حفاظت اتصال کوتاه جداگانه
روش‌های مختلفی برای حالتی که تجهیز اضافه‌بار و اتصال کوتاه به صورت جداگانه در مدار قرار می‌گیرند، وجود دارد. در شکل‌های ۱ تا ۳ رایج‌ترین آرایش‌های مداری این دو نوع تجهیز را می‌بینید.
شکل ۳ به نوعی تخطی از قواعد بنیادین حفاظت محسوب می‌شود و معمولاً تنها در باس بار ترانکینگ‌ها ، ریل‌های روشنایی و امثال آن‌ها به کار می‌رود.
درایوهای سرعت‌متغیر
جدول ۱ قابلیت‌‌هایی که درایوهای سرعت‌متغیر فراهم می‌کنند، و برخی قابلیت‌های دیگر که در صورت لزوم، توسط تجهیزاتی مانند کلید اتوماتیک (Circuit-breaker)، رله حرارتی (Thermal relay) و RCD ارائه می‌شوند را نمایش می‌دهد.
|
حفاظت مورد نیاز |
حفاظتی که توسط درایو سرعت‌متغیر انجام می‌شود |
حفاظت اضافی در صورتی که توسط درایو انجام نمی‌شود. |
|---|---|---|
|
اضافه‌بار کابل |
بله |
کلید اتوماتیک/رله حرارتی |
|
اضافه‌بار موتور |
بله |
کلید اتوماتیک/رله حرارتی |
|
اتصال کوتاه پایین‌دست |
بله |
- |
|
اضافه‌بار درایو سرعت‌متغیر |
بله |
- |
|
اضافه‌ولتاژ |
بله |
- |
|
کمبود ولتاژ |
بله |
- |
|
قطعی فاز |
بله |
- |
|
اتصال کوتاه در سمت بالا‌دست |
- |
کلید اتوماتیک (مکانیسم اتصال کوتاه) |
|
خطای داخلی |
- |
کلید اتوماتیک (مکانیسم اضافه‌بار و اتصال کوتاه) |
|
خطای زمین پایین‌دست (تماس غیرمستقیم) |
حفاظت افراد |
RCD بیشتر از ۳۰۰ میلی‌آمپر یا کلید مینیاتوری در سیستم ارتینگ TN |
|
خطای تماس مستقیم |
- |
RCD کمتر از ۳۰ میلی‌آمپر |
شرایطی که باید احراز شوند
یک تجهیز حفاظتی باید شرایط زیر را برآورده کند:
- تریپ آنی در صورت تنظیم کلید اتوماتیک روی حالت Im < Iscmin
- جریان ذوب فیوز برای Ia < Iscmin
بنابراین، تجهیز حفاظتی باید شرایط زیر را احراز کند.
- ظرفیت قطع آن باید بیشتر از Isc (جریان اتصال کوتاه سه‌فاز در نقطه نصب) باشد.
- مینیمم جریان اتصال کوتاه ممکن در مدار را در زمان tc (با در نظر گرفتن محدودیت‌های حرارتی هادی‌های مدار) حذف کند. tc ≤ k2 S2 / Iscmin2 (معتبر برای tc کمتر از ۵ ثانیه)
در رابطه فوق S سطح مقطع کابل، k ضریبی است که به جنس کابل، جنس عایق و دمای اولیه بستگی دارد. مثلاً برای هادی مسی با عایق XLPE و دمای اولیه ۹۰ درجه سلسیوس ضریب k برابر با ۱۴۳ است (طبق استاندارد IEC60364-4-43، بخش 434.3.2، جدول 43A).
مقایسه منحنی عملکرد تریپ یا سوختن فیوز تجهیزات حفاظتی با منحنی‌های محدودیت حرارتی برای یک هادی نشان می‌دهد که این شرط در صورتی برآورده می‌شود که:
Isc (min) > Im (تنظیم جریان کلید اتوماتیک روی حالت قطع آنی یا حالت زمان قطع کم) (شکل ۴)
- Isc (min) > Ia برای حفاظت با استفاده از فیوز. مقدار جریان Ia با در نظر گرفتن نقطه تقاطع منحنی فیوز و منحنی تحمل حرارتی کابل انتخاب می‌شود (شکل‌های ۵ و ۶).
روش عملی محاسبه حداکثر طول حفاظت شده (Lmax)
هدف از محاسبه Lmax این است که طول پایین‌دست مدار تجهیزات حفاظتی از مقدار ماکزیمم محاسبه‌شده بیشتر باشد. Lmax = 0.8U.Sph / 2ρIm
تأثیر محدودکننده امپدانس هادی‌های مدارهای طولانی بر مقدار جریان‌های اتصال کوتاه باید لحاظ شده و طول مدار باید بر این اساس محدود شود.
محاسبه Lmax برای مدار سه‌فاز سه‌سیمه
در مدار سه‌فاز سه‌سیمه، مینیمم جریان اتصال کوتاه فازبهفاز زمانی رخ می‌دهد که دو هادی فاز در دورترین نقطه مدار به هم اتصالی کنند.
روش عملی محاسبه حداکثر طول حفاظت شده (Lmax)
هدف از محاسبه Lmax این است که طول پایین‌دست مدار تجهیزات حفاظتی از مقدار ماکزیمم محاسبه‌شده بیشتر باشد. Lmax = 0.8U.Sph / 2ρIm
تأثیر محدودکننده امپدانس هادی‌های مدارهای طولانی بر مقدار جریان‌های اتصال کوتاه باید لحاظ شده و طول مدار باید بر این اساس محدود شود.
محاسبه Lmax برای مدار سه‌فاز سه‌سیمه
در مدار سه‌فاز سه‌سیمه، مینیمم جریان اتصال کوتاه فازبهفاز زمانی رخ می‌دهد که دو هادی فاز در دورترین نقطه مدار به هم اتصالی کنند.
با استفاده از «روش متعارف» (Conventional Method)، فرض می‌شود که ولتاژ نقطه حفاظت P در هنگام وقوع خطای اتصال کوتاه، ۸۰٪ ولتاژ نامی باشد؛ به‌طوری‌که: 0.8U = Isc Zd که در این معادله، Zd امپدانس حلقه خطا، Isc جریان اتصال کوتاه فازبهفاز و U ولتاژ نامی فازبهفاز است. برای کابل‌های با کمتر از ۱۲۰ میلی‌متر‌مربع، ممکن است از راَکتانس چشم‌پوشی شود، به‌طوری‌که Zd = 2ρL / Sph. در این معادله:
ρ: مقاومت مخصوص (Resistivity) فلز هادی در دمای متوسط هنگام وقوع اتصال کوتاه، بر حسب Ω⋅mm²/m است. در عمل، برای مدارهایی که توسط یک کلید حفاظتی محافظت می‌شوند، مقداری که باید استفاده شود ρ1 است. ρ1 مقاومت هادی‌ها در حداکثر دمای مجاز عملیاتی حالت پایدار آن‌ها است.
Sph: سطح مقطع هادی فاز بر‌حسب mm²
L: طول بر‌حسب متر.
شرط لازم برای حفاظت کابل Im < Isc است. Im مقدار جریان قطع کلید اتوماتیک است که عملکرد لحظه‌ای آن را تضمین می‌کند.
این شرط ما را به نامساوی Im ≤ 0.8U / Zd می‌رساند که نتیجه می‌دهد: L ≤ 0.8U.Sph / 2ρIm
برای هادی‌های هم‌جنس، U و ρ یکسان هستند. U برای اتصالی فازبهفاز ۴۰۰ ولت، و ρ برای هادی مسی، 0.237Ω⋅mm²/m است.
Lmax = kSph / Im
Lmax ماکزیمم طول مجاز هادی است.
برای کلیدهای اتوماتیک صنعتی (IEC 60947-2) مقدار Im با ۲۰ درصد تلرانس تعیین می‌شود؛ بنابراین، مقدار Lmax باید برای بدترین حالت، یعنی Im + 20%، محاسبه شود.
ضریب k در جدول ۲ با احتساب ۲۰٪ تلرانس و سطح مقطع Sph > 120mm2 آورده شده است.
|
سطح مقطع (mm2) |
کمتر از ۱۲۰ |
۱۵۰ |
۱۸۵ |
۲۴۰ |
۳۰۰ |
|---|---|---|---|---|---|
|
ضریب k (برای ۴۰۰ولت) |
۳۳۳۳ |
۲۸۹۸ |
۲۷۷۷ |
۲۶۶۸ |
۲۵۶۵ |
|
سطح مقطع (mm2) |
کمتر از ۱۲۰ |
۱۵۰ |
۱۸۵ |
۲۴۰ |
۳۰۰ |
|---|---|---|---|---|---|
|
ضریب k (برای ۴۰۰ولت) |
۳۳۳۳ |
۲۸۹۸ |
۲۷۷۷ |
۲۶۶۸ |
۲۵۶۵ |
اگر Sn (سطح مقطع هادی نول) کمتر از Sph باشد، آنگاه برای هادی با سطح مقطع کمتر از ۱۲۰ میلی‌متر‌مربع:
Lmax = 666 (Sph / Im)×(1 / (1+m)) , m = Sph / Sn
مقادیر جدولی برای Lmax
براساس روش محاسبه عملی که در پاراگراف قبلی توضیح داده شد، می‌توان جداول از پیش محاسبه‌شده‌ای را تهیه کرد.
با اعمال ضرایب تصحیح جدول ۸، می‌توان از جداول ۴ تا ۷ که برای حفاظت در برابر برق‌گرفتگی و آتش‌سوزی‌های الکتریکی برای محاسبه خطای اتصال زمین استفاده می‌شوند، نیز به‌منظور به‌دست آوردن مقدار Lmax مربوط به اتصال کوتاه فازبهفاز یا فاز‌به‌نول استفاده کرد.
نکته: برای هادی‌های آلومینیومی، طول‌های به‌دست‌آمده باید دوباره در ۰.۶۲ ضرب شوند.
جدول ۴-آ- ماکزیمم طول مدار بر حسب متر برای سایزهای مختلف هادی مسی و تنظیمات قطع آنی جریان کلید اتوماتیک صنعتی (IEC 60947-2) در سیستم TN تک‌فاز یا سه‌فاز ۲۳۰/۴۰۰ ولت با m = 1
جدول ۴-ب- ماکزیمم طول مدار بر‌حسب متر برای سایزهای مختلف هادی مسی و تنظیمات قطع آنی جریان کلید اتوماتیک صنعتی (IEC 60947-2) در سیستم TN تک‌فاز یا سه‌فاز ۲۳۰/۴۰۰ ولت با m = 1
جدول ۵- ماکزیمم طول مدار بر حسب متر برای سایزهای مختلف هادی مسی و جریان نامی کلید مینیاتوری تایپ B محلی (IEC 60898) در سیستم TN تک‌فاز یا سه‌فاز ۲۳۰/۴۰۰ ولت با m = 1
جدول ۶- ماکزیمم طول مدار بر حسب متر برای سایزهای مختلف هادی مسی و جریان نامی کلید مینیاتوری تایپ C محلی (IEC 60898) در سیستم TN تک‌فاز یا سه‌فاز ۲۳۰/۴۰۰ ولت با m = 1
جدول ۷- ماکزیمم طول مدار بر حسب متر برای سایزهای مختلف هادی مسی و جریان نامی کلید مینیاتوری تایپ D محلی (IEC 60898) در سیستم TN تک‌فاز یا سه‌فاز ۲۳۰/۴۰۰ ولت با m = 1
جدول ۸- ضریب تصحیح برای اصلاح مقادیر جداول ۳ تا ۶ برای به‌دست‌آوردن Lmax با در نظر گرفتن جریان اتصال کوتاه فازبهفاز و فاز‌به‌نول
مثال‌ها
در این بخش، با دو مثال کاربردی مطالب و جداول مطرح‌شده در بالا را برای محاسبه حداکثر طول مجاز کابل به کار می‌گیریم.
مثال ۱
در یک تأسیسات سه‌فاز سه‌سیمه ۴۰۰ ولت، حفاظت در برابر اتصال کوتاه برای یک موتور ۲۲ کیلووات (۵۰ آمپر) توسط یک کلید اتوماتیک مغناطیسی نوع GV4L تأمین می‌شود. جریان قطع آنی اتصال کوتاه روی ۷۰۰ آمپر (با دقت ±۲۰٪) تنظیم شده است، یعنی در بدترین حالت، ۷۰۰ × ۱.۲ = ۸۴۰ آمپر برای قطع نیاز است.
سطح مقطع کابل = ۱۰ میلی‌متر‌مربع و جنس هادی، مس است.
در جدول ۴-آ، ستون Im = 700A با سطر 10mm² در مقدار Lmax برابر با ۴۸ متر، یکدیگر را قطع می‌کنند. جدول ۸، ضریب ۱.۷۳ را برای اعمال به این مقدار در مدار سه‌فاز سه‌سیمه (بدون نول) تعیین کرده است. بنابراین، به شرطی که طول آن از ۴۸ × ۱.۷۳ = ۸۳ متر تجاوز نکند، کلید انتخاب‌شده برای مدار، از کابل در برابر وقوع اتصال کوتاه محافظت می‌کند.
مثال ۲
در یک مدار سه‌فاز + نول ۴۰۰ ولت، حفاظت توسط یک کلید اتوماتیک ۲۲۰ آمپر نوع NSX250N با رله میکرولاجیک تأمین می‌شود که حفاظت لحظه‌ای اتصال کوتاه آن روی ۳۰۰۰ آمپر (±۲۰٪) تنظیم شده است، یعنی در بدترین حالت، ۳۶۰۰ آمپر برای اطمینان از قطع، لازم است.
سطح مقطع کابل = ۱۲۰ میلی‌متر‌مربع و جنس هادی، آلومینیوم است.
در جدول ۴-ب، ستون Im = 3200A (اولین مقدار بزرگ‌تر از ۳۰۰۰ آمپر، زیرا جدول قبلاً +۲۰٪ روی Im را در محاسبات خود لحاظ کرده است) سطر 120mm² را در مقدار Lmax برابر ۱۲۵ متر قطع می‌کند. از آنجا که این مدار سه‌فاز چهار‌سیمه ۴۰۰ ولت (با نول) است، ضریب اصلاح از جدول ۸ برابر ۱ است. علاوه بر این، چون هادی از جنس آلومینیوم است، ضریب ۰.۶۲ باید اعمال شود.
بنابراین، کلید اتوماتیک انتخاب‌شده برای مدار، به شرطی که طول آن از ۱۲۵ × ۰.۶۲ = ۷۷ متر تجاوز نکند، از کابل در برابر جریان اتصال کوتاه محافظت می‌کند.
در مقاله زیر، محاسبات دقیق سایزینگ کابل و کلیدهای حفاظتی را بیشتر شرح داده‌ایم.
نکات
- برای سطح مقطع بیشتر از 120mm²، مقاومت محاسبه‌شده برای هادی‌ها باید افزایش یابد تا اثرات غیر‌یکنواخت چگالی جریان در هادی (به دلیل اثرات «پوستی» و «مجاورت») در نظر گرفته شود. مقادیر مناسب به شرح زیر است:
۱۵۰ mm²: R + ۱۵٪
۱۸۵ mm²: R + ۲۰٪
۲۴۰ mm²: R + ۲۵٪
۳۰۰ mm²: R + ۳۰٪
مقاومت کابل‌های مسی EPR/XLPE در هنگام عبور جریان اتصال کوتاه. مثلاً حداکثر دمای قابل تحمل آن‌ها، ۹۰ درجه سانتی‌گراد است.
جمع‌بندی
استفاده از تجهیزات حفاظتی در سیستم‌های الکتریکی و اطمینان از عملکرد صحیح آن‌ها در حفاظت از سلامت افراد و تجهیزات، اهمیت بسیاری دارد. برای تضمین ایمنی در طراحی تأسیسات الکتریکی باید محاسبات دقیقی را انجام داد. یکی از پارامترهای مهم برای انجام طراحی، محاسبه مینیمم جریان اتصال کوتاه و طول مجاز هادی‌های حامل جریان است. در این مقاله، با استناد به فرمول‌های محاسباتی دقیق و جداول استاندارد نحوه محاسبه این پارامترهای مهم را شرح داده‌ایم.
جمع‌بندی
فیوزهای نوع aM برای حفاظت در برابر جریان‌های اتصال کوتاه طراحی شده‌اند و قابلیت تحمل جریان اضافه‌بار را ندارند. این فیوزها در مدارهایی استفاده می‌شوند که حفاظت در برابر اضافه‌بار توسط تجهیز جداگانه‌ای مثل رله حرارتی انجام می‌شود. فیوزهای aM عموماً برای حفاظت تجهیزاتی مانند موتورهایی که به جریان راه‌اندازی بالا نیاز دارند، مناسب هستند.
زیرا می‌خواهیم جریان اتصال کوتاه مینیمم را حساب کنیم و مینیمم جریان اتصال کوتاه زمانی رخ می‌دهد که منبع با افت ولتاژ مواجه بوده و هادی‌های مدار گرم باشند. فرض فوق برای نشان دادن این مسائل است.
