RCD یا کلید حفاظت جریان باقیمانده چیست؟

به نظر شما، اگر تجهیزاتی مانند کلید حفاظت جریان باقیمانده یا RCD برای حفاظت از جان انسان و آتش سوزی های ناشی از الکتریسیته وجود نداشت، چند نفر درگیر صدمات جبران ناپذیر ناشی از این پدیده و یا حتی مرگ می‌شدند؟ چند نفر به خاطر جریان باقیمانده دچار صدمات مالی می‌شدند؟ احتمالا با پاسخ به این سوالات به درک عمیقی از اهمیت این تجهیز رسیده‌اید. در این مقاله به بررسی این تجهیز از جوانب مختلف می پردازیم.

برای آشنایی با دیگر تجهیزات حفاظتی به دوره برق صنعتی مراجعه کنید.

یک اشتباه رایج!

در زبان عامیانه به اشتباه، از اصطلاح کلید محافظ جان یا کلید نشتی جریان به جای کلید RCD استفاده می شود. این عبارت نادرست است، چون این کلید در برابر جریان باقیمانده محافظت می‌کند و اگر کسی فاز و نول را در دست بگیرد، این کلید از او حفاظت نخواهد کرد.

با این حال، تصور عموم بر این است که وجود این کلید، حفاظت کامل افراد را تضمین می‌کند، در حالی که این موضوع اصلا صحیح نیست!

تاثیر جریان بر بدن انسان

در صورت تماس انسان با قسمت رسانای برقدار، جریان از بدن عبور می‌ کند و اگر مقدار آن از حد معینی فراتر رود، ممکن است سبب برق گرفتگی یا حتی مرگ شود. عبور جریان الکتریکی در هر فرد بسته به پتانسیل نقطه تماس، مقدار جریان، فرکانس و مدت زمان قرار گرفتن در معرض جریان تأثیر متفاوتی خواهد داشت. شرایط خارجی مانند رطوبت هم تا حد زیادی در میزان صدمات ناشی از برق‌ گرفتگی موثر هستند.

برای مطالعه در مورد اثر برق گرفتگی بر بدن انسان کلیک کنید.

سه تعریف:

عملکرد قلب با پالس‌ های الکتریکی کنترل می‌ شود و هرگونه اثر خارجی ممکن است باعث ایست قلبی یا ایجاد نوسانات کنترل‌ نشده در محفظه‌ های قلبی شود. به نوسانات کنترل نشده در محفظه‌ های قلبی فیبریلاسیون (Fibrillation) می‌ گویند.

دستگاه الکتروکاریوگراف (electrocardiograph machine) یا به اختصار ECG دستگاهی است، برای اندازه گیری سیگنال های قلب. این دستگاه سیگنال های قلبی را به شکل نوارهای چاپ شده نمایش می دهد.

دفیبریلاتور (Defibrillator) دستگاهی است که با ارسال یک پالس الکتریکی (یا شوک الکتریکی) ضربان طبیعی را به قلب باز می گرداند.

شکل 1- تاثیر جریان باقیمانده بر بدن انسان

پروفسور گاتفرید بیگلمایر (Dr. Gottfried Biegelmeier) از اتریش برای تأیید لزوم استفاده از RCD ها، در دهه 1980 چندین آزمایش روی بدن خود انجام داد. وی در سطح جهانی به عنوان یکی از پیشگامان ِ تحقیقات تأثیر جریان الکتریکی بر روی انسان شناخته می‌ شود و چندین اختراع در زمینه طراحی RCD دارد. او به تدریج خود را در معرض اثرات جریان متناوب در ولتاژ 25 تا 220 ولت قرار داد.

دستگاه الکتروکاردیوگراف (electrocardiograph machine)  بی‌ نظمی پالس‌ های الکتریکی قلب او را نشان داد. یک پزشک به همراه یک دستگاه دفیبریلاتور (Defibrillator) در این آزمایش‌ ها حضور داشت تا در صورت فیبریلاسیون قلب عملیات پزشکی لازم را انجام دهد. از کل آزمایش فیلم‌ برداری شد و مسیرهای ولتاژ و جریان با دستگاه‌ های ضبط، ثبت شدند.

نتایج این آزمایش ها نشان می‌ دهد که بدن انسان در بازه های مختلف جریان چه واکنشی نشان می دهد:

• جریان بین 10 تا 30 میلی‌ آمپر کشنده نیست، اما در طولانی مدت باعث اسپاسم‌ های عضلانی و مشکلات تنفسی خواهد شد.
• جریان بالاتر از 30 میلی‌ آمپر در صورتی که فرد سریعا از منشا برق‌ گرفتگی جدا نشود، می‌ تواند باعث مرگ شود.
• جریان های تا 500 میلی آمپر، اگر بیش از 5/0 ثانیه از بدن عبور کنند، ممکن است باعث مرگ شوند.
• جریان‌ های بالاتر از 500 میلی‌ آمپر کشنده خواهند بود.

جریان باقیمانده، یکی از خطرات بالقوه برای انسان است. این جریان ممکن است باعث برق گرفتگی و حتی مرگ شود. در ادامه به بررسی این جریان و راه های مقابله با آن می پردازیم.

جریان باقیمانده چیست؟

جریانی که از منبع به سمت مدار (مجموعه مصرف کننده ها) جاری می شود، برابر است با جریانی که از مدار (مصرف کننده ها) به سمت منبع، جریان می یابد. عوامل مختلفی مانند اتصال به زمین و اتصال بدنه ممکن است این برابری جریان های رفت و برگشتی را بر هم زده و باعث ایجاد اختلاف میان این دو جریان شود. در واقع بخشی از جریان، مسیر ثانویه ای برای جاری شدن یافته است. به میزان جریانی که از یک مسیر ثانویه (اتصال به زمین یا اتصال بدنه) جاری شده و سبب اختلاف جریان رفت و برگشت مدار است، جریان باقیمانده یا Residual Current  می گویند. شکل 2 توصیف خوبی از این جریان است.

شکل 2- جریان باقیمانده

چگونه در برابر جریان باقیمانده حفاظت کنیم؟

تجهیزات حفاظتی زیادی برای جلوگیری از خطاهای مختلف الکتریکی (مانند اتصال کوتاه، اضافه بار و …) وجود دارند. در مقاله بیمتال چیست؟ به بررسی یکی از این تجهیزات پرداختیم. اما اگر از یک مهندس برق بپرسید که چگونه در برابر جریان باقیمانده حفاظت کنیم، احتمالا پاسخ او یک کلمه خواهد بود، کلید RCD.

کلید RCD یا کلید حفاظت از جریان باقیمانده، تجهیزی است برای حفاظت در برابر جریان باقیمانده موجود در سیستم قدرت (شکل 3). در ادامه به بررسی این تجهیز پرکاربرد و البته مهم می‌پردازیم.

شکل 3- کلید حفاظت از جریان باقیمانده یا RCD

کلید محافظت در برابر جریان باقیمانده یا RCD

کلید RCD یکی از انواع کلیدهای حفاظتی است که برای محافظت از اشخاص و تجهیزات استفاده می شود. این کلید یکی از مطمئن‌ترین راه ها برای تشخیص جریان باقیمانده بوده و از شوک های ناشی از تماس غیر مستقیم با جریان جلوگیری می کند. اتصال بدنه تجهیزات الکتریکی و اتصال زمین دو عامل مهم ایجاد جریان باقیمانده هستند.

RCD یا کلید حفاظت در برابر جریان باقیمانده از چه قسمت هایی تشکیل شده است؟

ساختار داخلی یک RCD از شش قسمت اصلی ساخته می شود:

1. سیم پیچ ترانسفورماتور جریان (Current transformer)
2. هسته ترانسفوماتور جریان (Current transformer core)
3. هادی فاز (Line conductor)
4. هادی نول (Neutral conductor)
5. بخش الکترومغناطیسی (Electromagnetic part)
6. مکانیزم تست(Test mechanism)

شکل 4- ساختار داخلی RCD

RCD یا کلید حفاظت در برابر جریان باقیمانده چگونه کار می کند؟

شکل 5- عملکرد RCD- مدار داخلی

کلید RCD بر اساس مقایسه جریان های رفت و برگشت کار می کند. یعنی ابتدا با مقایسه دو جریان رفت و برگشت، در صورت وجود اختلاف بین آن ها، مدار را قطع می کند.

مطابق آنچه در قسمت قبل بیان شد، هر RCD در ساختار خود یک هسته آهنی دارد. جریانی که از طریق کابل ها به RCD وارد می شود، از سیم پیچ پیرامون هسته آهنی عبور می کند. با عبور جریان از این سیم پیچ، میدانی مغناطیسی اطراف سیم پیچ ایجاد می شود. جریان بازگشتی (به سمت نول) از یک سیم پیچ که خلاف جهت سیم پیچ اول بسته شده، عبور می کند. این جریان هم باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی می شود.

در نتیجه عبور جریان از این دو سیم پیچ، دو میدان در خلاف جهت یکدیگر خواهیم داشت. اگر جریان وارد شده به RCD با جریان خروجی آن برابر باشد، برآیند این دو میدان مغناطیسی صفر خواهد بود و کلید باعث قطع مدار نمی شود. اما اگر عاملی باعث جاری شدن جریان باقیمانده شود، جریان های ورودی و خروجی RCD برابر نخواهند بود. میدان ایجاد شده توسط جریان ورودی RCD بدون تغییر (نسبت به حالت بدون جریان باقیمانده) باقی می ماند، اما میدان ناشی از جریان خروجی RCD متفاوت خواهد بود. این موضوع باعث بر هم خوردن تعادل میان میدان های مغناطیسی و قطع مدار می شود.

شکل 6- عملکرد RCD در شرایط عادی و در حضور جریان باقیمانده

نحوه نصب و سیم کشی RCD

در نصب RCD باید به چند نکته توجه کرد:

RCD نباید به تنهایی بین منبع تغذیه و بار استفاده شود. چون این تجهیز توانایی حفاظت در برابر اتصال کوتاه یا گرم شدن بیش از حد سیم ها را ندارد. برای ایمنی بیشتر، استفاده از تجهیزات حفاظت از اضافه بار و اتصال کوتاه توصیه می شود.

با توجه به تصویر شماره 7، سیم فاز (قهوه ای) و نول (آبی) را در یک مدار تک فاز به ورودی RCD  وصل می کنیم.

سیم فاز در خروجی RCD باید به تجهیز حفاظت در برابر اضافه بار متصل شود، در حالی که سیم خنثی را می توان مستقیماً به محل نصب وصل کرد.

شکل 7- اتصالات RCD در مدار تک فاز

مطابق شکل 7، در سیستم های سه فاز، هر سه فاز و سیم نول را به ورودی RCD وصل می کنیم. یک کلید حفاظت اضافه بار در خروجی به هر فاز متصل می شود. از طرفی سیم خنثی در خروجی به شینه متصل است.

برای این اتصال، باید به حداکثر جریانی که می تواند از RCD (جریان نامی RCD) عبور کند، توجه کرد.

شکل 8- اتصالات RCD در  سیستم سه فاز

نکات قابل توجه درباره RCD ها

• استفاده از محافظ جان، به معنی حفاظت کامل در برابر برق گرفتگی نیست. این سیستم یک سیستم حفاظت ثانویه و تکمیلی است.
• در صورت نصب چند RCD در تابلو، شینه نول هر کدام باید جدا باشد، تا گردش جریان در نول باعث خطا در عملکرد این سیستم نشود.
• RCD فقط جریانِ باقیمانده رخ داده در مدارِ بعد از خود را تشخیص می‌دهد. باید توجه داشت که جریان‌های باقیمانده در مدارِ قبل از کلید RCD تشخیص داده نخواهد شد.

مشخصات فنی RCD

تعداد پل ها، حساسیت، زمان قطع، مقاومت جریان جرقه و نوع، بیان گر مشخصات فنی RCD ها هستند. در ادامه این موارد را بررسی می کنیم.

تعداد پل

RCDها بر اساس تعداد پل سه دسته هستند: دو پل، سه پل و چهار پل. RCDهای دو پل برای منابع تکفاز، RCDهای سه پل برای منابع سه فاز و RCD های چهار پل برای منابع سه فاز و حفاظت جریان باقیمانده روی نول.

حساسیت

حساسیت به معنی محدوده جریان باقیمانده است که RCD در آن عمل می‌کند. بر این اساس RCDها سه دسته هستند: RCD با حساسیت زیاد، RCD با حساسیت متوسط و RCD با حساسیت کم.

• حساسیت زیاد (HS: High Sensitivity): 6-10-30 میلی آمپر (برای اتصال مستقیم و حفاظت از جان افراد)
• حساسیت متوسط (MS: Medium Sensitivity): 100-300-500-1000 میلی آمپر (برای جلوگیری از آتش سوزی)
• حساسیت کم (LS: Low Sensitivity): 3-10-30 آمپر (برای حفاظت از تجهیزات)

نوع RCD

در استاندارد IEC سه نوع RCD بر اساس ویژگی های جریان تعریف می شود:

1. نوع AC: این نوع RCD برای جریان های باقیمانده متناوب مناسب است.
2. نوع A: RCD نوع A برای:

• جریان های باقیمانده متناوب
• جریان های باقیمانده پالسی مستقیم

3. نوع B: این نوع مناسب است برای:

• جریان باقیمانده متناوب تا 1000 هرتز
• جریان باقیمانده متناوب جمع شده با یک جریان مستقیم خالص
• جریان های مستقیم پالسی جمع شده با یک جریان مستقیم خالص
• جریان باقیمانده‌ای که ممکن است از مدارهای یکسو کننده ایجاد شود

زمان قطع

دو گروه RCD بر اساس زمان قطع داریم:

• گروه G(General use): RCDهایی که سریع عمل می کنند، 200 میلی ثانیه برای جریان قطع، 150 میلی ثانیه برای جریانی به اندازه دو برابر جریان قطع و 40 میلی ثانیه برای جریانی به اندازه 5 برابر جریان قطع.
• گروه S(selective) یا T(Time delayed) که در مدار هایی که احتمال جرقه وجود دارد، استفاده می شود. کمترین زمان قطع این گروه 130 میلی ثانیه برای جریان قطع، 60 میلی ثانیه برای دو برابر جریان قطع و 50 میلی ثانیه برای پنج برابر جریان قطع است. اما بیشترین زمان قطع در این گروه 500 میلی ثانیه برای جریان قطع، 200 میلی ثانیه برای دو برابر جریان قطع و 150 میلی ثانیه برای پنج برابر جریان قطع خواهد بود.

تست RCD ها

برای اطمینان از سلامت RCDها دو روش تست وجود دارد:

1. استفاده از دکمه تست روی RCD
2. استفاده از دستگاه تستر کلید جریان باقیمانده (RCD tester)

روش اول (استفاده از دکمه تست): همانطور که در قسمت های قبل عنوان شد، روی هر RCD یک دکمه تست قرار دارد. این دکمه، با استفاده از یک مقاومت، جریان باقیمانده ایجاد کرده و سلامت کلید را در معرض آزمایش قرار می دهد.

روش دوم (استفاده از دستگاه تستر کلید جریان باقیمانده): دستگاه تستر کلید جریان باقیمانده، دستگاهی است که با ایجاد جریان، عملکرد کلید را می سنجد (شکل 6). این دستگاه سه LED دارد که وضعیت (روشن یا خاموش بودن) آن ها، نمایانگر وضعیت اتصالات دستگاه است. جدول 1 وضعیت LEDها و حالت های مختلف اتصالات را نمایش می دهد.

جدول1

شکل 9- دستگاه تستر جریان باقیمانده 

جمع بندی

در این مقاله به بررسی یکی از تجهیزات حفاظتی مهم به نام RCD پرداختیم. RCD ها یا کلیدهای محافظ جان، با مقایسه جریان های ورودی و خروجی جریان باقیمانده در مدار را تشخیص داده و با قطع مدار، از آسیب های جانی و مالی جلوگیری می کند.

منبع: electricalsafetyfirst.org.uk