1.1. روش و تعاریف

روش یا Methodology

همانطور که می دانیم یکی از نیازمندی های برقرسانیبه تاسیسات الکتریکی، مطالعه بر روی کابل کشی و حفاظت الکتریکی آنها می باشد که این موضوع از شروع طراحی تاسیسات الکتریکی، طی مراحل میانی و در نهایت در مورد مدارهای نهایی مصرف کنندگان مختلف باید انجام گردد.

کابل کشی و حفاظت آن در هر سطحی باید به طور همزمان چند شرط را برای اطمینان از داشتن یک اجرای ایمن و قابل اعتماد برآورده سازد. برای نمونه باید:

• تحمل عبور دائمی جریان بار کامل(Full Load Current) و اضافه جریان های نرمال کوتاه مدت(گذرا) را داشته باشد.
• عدم افت ولتاژ(Voltage drop) که باعث عملکرد ضعیف بارهای خاص می شود. به عنوان مثال: یک دوره شتاب بیش از حد طولانی در هنگام راه اندازی یک موتور الکتریکی و … .

علاوه بر این، تجهیزات حفاظتی(کلیدها(circuit breakers) یا فیوزها(fuses)) باید:

– از حفاظت افراد در مقابل خطرات تماس غیر مستقیم با قسمت برقدار تاسیسات، به ویژه در سیستم های زمین شده TN و IT که طول و فاصله مدارها ممکن است دامنه جریان های اتصال کوتاه را محدود کند و در نتیجه آن، قطع خودکار مدار با تأخیر مواجه شود، اطمینان حاصل نمایند. (لازم به یادآوری است که تاسیسات از نوع سیستم TT زمین شده در اصل باید اجباراً به وسیله کلید حفاظت در مقابل نشت جریان یا همان RCD(Residual Current Device) با حساسیت 300 میلی آمپر حفاظت شوند).

سطح مقطع هادی ها به وسیله روش عمومی توضیح داده شده در ادامه مطلب تعیین می شود. جدا از این روش، برخی استانداردهای ملی ممکن است یک اندازه حداقل را برای هادی ها به دلایل استقامت مکانیکی لحاظ کنند.

بارهای خاص(موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها و …) نیاز دارند که کابل تغذیه آنها مقداری بزرگتر از سایز محاسبه شده(Oversized) باشد و بر مبنای آن، حفاظت مدار نیز اصلاح گردد.

(فلوچارت انتخاب سایز کابل و تجهیز حفاظتی متناسب با مدار داده شده)

تعاریف(Definitions)

جریان بار حداکثر یا جریان طراحی: I_B

• در سطح انتهایی مدار، این جریان طراحی (بر اساس فرهنگ لغات الکتروتکنیکی بین المللی(IEV) شماره مرجع 10-11-826) مربوط به توان ظاهری(kVA) مجاز بار می باشد. در مورد راه اندازی موتور، یا سایر بارهایی که جریان راه اندازی بالایی می کشند، به خصوص در مواردی که راه اندازی متناوب و پی در پی اتفاق می افتد (مانند موتور آسانسورها، دستگاه جوش نقطه ای نوع سخت و …)، اثرات حرارتی تجمعی جریان های اضافه بار باید در نظر گرفته شود. هم کابل ها و هم رله های نوع حرارتی تحت تأثیر این مورد هستند.
• در تمامی سطوح بالادست مدار، این جریان بر اساس توان ظاهری(KVA) محاسبه می شود که ضریب بهره برداری(K_u) و ضریب همزمانی(K_s) نیز در آن مانند تصویر زیر لحاظ می شود.

(محاسبه حداکثر جریان بارI_B)

حداکثر جریان مجاز: I_z

ظرفیت حمل جریان I_z، میزان حداکثر مجازی است که کابلاختصاص داده شده به مدار می تواند به طور مشخص بدون کاهش عمر عادی آن عبور دهد. جریان متناسب با سطح مقطع داده شده برای هادی ها، به چندین پارامتر بستگی دارد:

• ساختمان کابل و مسیر کابل (هادی های مس(Cu) یا آلومینیوم(Alu)؛ جنس عایق(PVC، EPR یا …)؛ تعداد هادی های فعال)
• دمای محیط
• روش نصب
• تأثیر همجواری با سایر مدارها.

اضافه جریان(Overcurrents)

یک اضافه جریان هر زمان که میزان جریان از جریان بار یا همان جریان طراحی حداکثر I_B برای بار مربوطه تجاوز کند رخ می دهد. این جریان باید با سرعتی که بستگی به دامنه و شدت آن دارد برای جلوگیری از آسیب دائمی به کابل قطع شود. به هر حال، اضافه جریان های نسبتاً کوتاه مدت می توانند در کارکرد عادی مدار اتفاق بیفتند.

دو نوع اضافه جریان متمایز عبارتند از:

– اضافه بار(Overloads)

این اضافه جریان ها می توانند در شرایط سلامت کامل مدار الکتریکی اتفاق بیفتند. به عنوان مثال، به دلیل وجود تعدادی از بارهای کوچک کوتاه مدت که گاه و بیگاه به صورت تصادفی اتفاق می افتد: بارهای راه اندازی موتورها و مانند آن. اگر با این حال هر یک از این شرایط بیش از یک دوره معین اتفاق بیفتد (بستگی به تنظیمات رله حفاظتی یا اندازه فیوز)، مدار به صورت خودکار قطع خواهد شد.

– جریان  های اتصال کوتاه(Short-Circuit Currents)

این جریان ها از یک خطای عایقی میان هادی های برقدار و/یا میان هادی های برقدار و زمین (در سیستم هایی که نقطه نوترال زمین شده با مقاومت پایینی دارند) در هر ترکیبی مانند زیر منتج می شوند:

1. اتصال کوتاه 3 فاز (و به نقطه نول یا خنثی(neutral) و/یا زمین(earth)، یا هیچکدام)
2. اتصال کوتاه 2 فاز (و به نقطه نول یا خنثی(neutral) و/یا زمین(earth)، یا هیچکدام)
3. اتصال کوتاه 1 فاز به نقطه نول یا خنثی(neutral) (و/یا به زمین(earth))

2.1. اصول حفاظت در برابر اضافه جریان

یک تجهیز حفاظتی در ابتدای مدار مربوطه باید در نظر گرفته شود (شکل های زیر را ملاحظه کنید).

                 (حفاظت مدار به وسیله فیوزها)                            (حفاظت مدار به وسیله کلید حفاظتی)

– قطع نمودن جریان در زمانی کوتاهتر از مشخصه I²t کابل مدار.

– اما به جریان بار حداکثر I_B اجازه می دهد تا به طور نامحدود جریان یابد.

مشخصات هادی های با پوشش عایق زمانی که جریان های اتصال کوتاه را عبور می دهند می تواند برای دوره های تا 5 ثانیه از شروع اتصال کوتاه با فرمول زیر مشخص گردد:

فرمول I²t=k²S²  که نشان می دهد حرارت مجاز تولید شده متناسب با مجذور سطح مقطع هادی می باشد که:

t: مدت جریان اتصال کوتاه (بر حسب ثانیه)

S: سطح مقطع هادی با پوشش عایق (بر حسب mm²)

I: جریان اتصال کوتاه (بر حسب جریان مؤثر A r.m.s)

K: ثابت هادی با پوشش عایق (مقادیر K² در شکل زیر آورده شده است)

(مقدار ثابت K بر مبنای جدول 43A از استاندارد IEC 60364-4-43)

برای یک هادی داده شده عایق، جریان مجاز حداکثر بر اساس محیط نصب متفاوت است. به عنوان نمونه، برای یک دمای محیط بالا (θa1>θa2)، Iz1 کوچکتر از Iz2 می باشد (شکل زیر را ملاحظه کنید). θ به معنای "دما" می باشد.

مشخصه I²t هادی با پوشش عایق در دو دمای محیط متفاوت

توجه:

• Isc: جریان اتصال کوتاه 3 فاز
• Iscb: جریان شکست اتصال کوتاه مجاز 3 فاز کلید حفاظتی
• Ir (یا Irth)(هر دو نماد در استانداردهای مختلف استفاده می شوند): سطح جریان "نامی" تنظیمی؛ مانند یک کلید حفاظتی با جریان نامی 50 آمپر.

می توانند برای داشتن یک بازه حفاظتی تنظیم شوند. به عنوان مثال، یک سطح قطع اضافه جریان متعارف مشابه یک کلید حفاظتی 30 آمپر.

محاسبه سطح مقطع و تجهیز حفاظتی هادی ها(موارد عمومی-بخش دوم)

همانطور که می دانیم یکی از نیازمندی های برقرسانی به تاسیسات الکتریکی، مطالعه بر روی کابل کشی و حفاظت الکتریکی آنها می باشد که این موضوع از شروع طراحی تاسیسات الکتریکی، طی مراحل میانی و در نهایت در مورد مدارهای نهایی مصرف کنندگان مختلف باید انجام گردد. در این سری از مجموعه مطالب که در بخش های چندگانه ارائه می شود به بررسی این موضوع و محاسبات و ملاحظات فنی آن پرداخته شده است.

3.1. مقادیر عملیاتی برای یک طرح حفاظتی

روش های زیر بر مبنای قوانینی که در استانداردIECگنجانده شده است می باشد و نشانگر اقدامات و تجربیات در کشورهای زیادی می باشد.

قوانین عمومی

یک تجهیز حفاظتی (کلید یا فیوز حفاظتی) به درستی عمل می کند اگر:

• جریان نامی(nominal current) یا جریان تنظیمی(setting current) آن (I_n) بزرگتر از جریان بار(طراحی) حداکثر (I_B) اما کمتر از جریان مجاز حداکثر (Iz) مدار باشد. به عنوان مثال، I_B<=I_n<I_Z به ناحیه یا زون "a" در شکل زیر مربوط می گردد.
• تنظیم "متعارف یا conventional" جریان قطع آن (I₂) کمتر از 1.45Iz باشد که به ناحیه یا زون "b" در شکل زیر مربوط می گردد.

زمان قطع تنظیمی "متعارف" ممکن است 1 یا 2 ساعت بر مبنای استانداردهای محلی و مقادیر واقعی انتخابی برای I₂ باشد. برای فیوزها، I₂ جریانی است که فیوز در زمان متعارف(conventional time) عمل خواهد نمود.

• مقدار جریان خطای اتصال کوتاه شکست(I_scb) 3 فاز آن(که منجر به شکست عایقی و از بین رفتن عایق هادی می گردد) بزرگتر از جریان اتصال کوتاه 3 فاز موجود در نقطه راه اندازی آن باشد. این مورد به ناحیه یا زون "c" در شکل زیر مربوط می گردد.

(سطوح جریان برای تعیین مشخصات کلید حفاظتی یا فیوز)

کاربردها

– حفاظت توسط کلید حفاظتی

با توجه به سطح بالای دقت و صحت جریان I₂ که همیشه کمتر از 1.45In (یا 1.45Ir) می باشد بنابراین شرط I₂<=1.45Iz (همانطور که در "قوانین عمومی" توضیح داده شد) همیشه قابل اتکا خواهد بود.

– مورد خاص

اگر خود کلید حفاظتی در مقابل اضافه بار محافظت نشود، اطمینان از اینکه در زمان پایین ترین میزان جریان اتصال کوتاه، تجهیز حفاظتی که مدار را در برابر اضافه جریان محافظت می نماید به درستی عمل نماید حائز اهمیت می باشد.(جزئیات این موضوع در مطلبی تحت عنوان "موارد خاص جریان اتصال کوتاه" آورده خواهد شد)

– حفاظت توسط فیوزها

شرط I₂<=1.45Iz باید در نظر گرفته شود، که I₂ جریان عمل فیوز (سطح ذوب)، برابر با k2 x In(بازه k2 از 1.6 تا 1.9) بستگی به نوع فیوز خاص مورد نظر دارد.

یک عامل دیگر به نام k3 که k3=k2/1.45 وجود دارد به طوری که عبارت I₂<=1.45Iz اگر In<=Iz/k3 باشد معتبر خواهد بود.

برای فیوزهای نوع gG:

In < 16 A → k3 = 1.31

In >= 16 A → k3 = 1.10

علاوه بر این، ظرفیت جریان اتصال کوتاه شکست فیوز (I_SCF) باید از سطح جریان اتصال کوتاه 3 فاز در نقطه نصب فیوز(ها) بیشتر باشد تا تجهیزات دچار شکست عایقی نگردند.

– وابستگی تجهیزات حفاظتی مختلف

استفاده از تجهیزات حفاظتی که مقدار جریان خطای کمتری از سطح خطای موجود در نقطه نصب خویش دارند توسط استاندارد IEC و خیلی از استانداردهای ملی، با شرایط زیر مجاز شمرده شده است:

• در بالادست مدار، تجهیز حفاظتی دیگری وجود دارد که حد مجاز اتصال کوتاه لازم را دارد، و
• میزان انرژی مجاز عبوری از تجهیز بالادست کمتر از آنی است که بتواند به تجهیز پایین دست و تمامی کابل کشی و تجهیزات وابسته به آن آسیب برساند.

در عمل، ترتیب تجهیزات حفاظتی عموماً به صورت زیر است:

• وابستگی کلیدها/فیوزها
• تکنیک شناخته شده ای تحت عنوان "توالی” یا “Cascading” یا "درجه بندی سری(series rating)" که عملکرد قوی محدودکنندگی جریان کلیدهای حفاظتی خاص، به طور مؤثری شدت اتصال کوتاه های در پایین دست را کاهش می دهد.

ترکیب های ممکنی که در آزمایشگاه ها مورد آزمایش قرار گرفته اند در کاتالوگ تولیدکنندگان خاص نشان داده شده است.

4.1 موقعیت تجهیزات حفاظتی

قانون عمومی (شکل (a) را ملاحظه کنید)

قرارگیری یک تجهیز حفاظتی در ابتدای هر مدار، جایی که کاهش حداکثر سطح جریان مجاز از آنجا باید انجام گیرد، ضروری است.

(موقعیت تجهیزات حفاظتی)

مکان های جایگزین ممکن در شرایط خاص (شکل (b) را ملاحظه کنید)

تجهیز حفاظتی ممکن است که در امتداد بخشی از طول مدار قرار بگیرد:

– اگر AB در مجاورت مواد قابل اشتعال نباشد، و

– اگر هیچ انشعاب یا پریزی از شاخه AB گرفته نشود.

سه مورد ممکن است در عمل قابل پیاده سازی باشد:

– مورد (1) را در دیاگرام در نظر بگیرید

• AB<=3 متر، و
• AB برای کاهش خطر اتصال کوتاه به یک مقدار حداقل عملی نصب گردیده است (به عنوان مثال، سیم های درون لوله فولادی سخت)

– مورد (2) را در نظر بگیرید

تجهیز حفاظتی بالادست P1، طول AB را در برابر اتصال کوتاه حفاظت می نماید.(جزئیات این موضوع در مطلبی تحت عنوان "موارد خاص جریان اتصال کوتاه" آورده خواهد شد)

– مورد (3) را در نظر بگیرید

• تجهیز اضافه بار (overload device) که در شکل با (S) نشان داده شده است، دقیقاً نزدیک بار قرار گرفته است. این ترتیب برای مدارهای موتوری مناسب می باشد. تجهیز (S) از ترکیب کنترل (روشن/خاموش) و حفاظت موتور در مقابل اضافه بار زمانی که تجهیز SC(حفاظت در مقابل اتصال کوتاه)، یا یک کلید حفاظتی (طراحی شده برای حفاظت موتور) یا فیوز از نوع aM می باشد تشکیل شده است.
• حفاظت اتصال کوتاه (SC) ، در ابتدای مدار قرار گرفته است.(جزئیات این موضوع در مطلبی تحت عنوان "موارد خاص جریان اتصال کوتاه" آورده خواهد شد)

(موقعیت تجهیزات حفاظتی)

مدارهای بدون حفاظت (شکل (c) را ملاحظه کنید)

برای هر یک از این دو حالت:

– تجهیز حفاظتی P1 برای حفاظت کابل S₂ در مقابل اضافه بار و اتصال کوتاه ها تنظیم شده است.

یا

– جایی که قطع یک مدار خطرناک است، مانند:

• مدارهای تحریک ماشین های دوار
• مدارهای الکترومگنت های بالابر بزرگ
• مدارهای ثانویه ترانسفورماتورهای جریان

هیچ وقفه ای نباید در کار مدار به وجود آید و حفاظت از کابل کشی در درجه دوم اهمیت قرار دارد.

(موقعیت تجهیزات حفاظتی)

5.1 هادی های موازی(کابل چند رشته)

هادی های با سطح مقطع یکسان، طول یکسان، و مواد یکسان، می توانند به صورت موازی(همجوار) و به صورت یک کابل چند رشته وصل شوند.

جریان مجاز حداکثر، مجموع جریان های حداکثر تک رشته های سیم درون کابل با توجه به اثرات حرارت متقابل، روش نصب و … می باشد. حفاظت در مقابل اضافه بار و اتصال کوتاه با آن چه که برای مدار کابل تک رشته وجود دارد یکسان است.

اقدامات احتیاطی زیر باید برای جلوگیری از خطر اتصال کوتاه در کابل های چند رشته در نظر گرفته شود:

• حفاظت اضافی در مقابل آسیب مکانیکی و رطوبت، توسط تعریف یک حفاظت تکمیلی
• مسیرکابل باید طوری انتخاب گردد که از نزدیکی به مواد قابل احتراق جلوگیری شود.

منبع: هندبوک اشنایدر الکتریک – Electrical installation guide 2016

دپارتمان تأسیسات الکتریکی سامانه جامع صنعت ساختمان – کارگشا

سایر مطالب منتخب در حوزه برآوردها و محاسبات را دنبال و ما را با نظرات ارزشمند خویش همراهی نمایید.