کتاب دانستنی های ارت : فصل چهارم

حفاظت در برابر اختلال‌های ولتاژی و الکترو مغناطیسی

 

مقدمه:

این فصل قوانینی را برای حفاظت تاسیسات الکتریکی دربرابر اختلالهای ولتاژی و الکترومغناطیسی که به دلایل مختلف ایجاد می شوند بیان می‌کند .

4-1-حفاظت تجهیزات فشارضعیف دربرابر اضافه ولتاژهای موقت و خطای بین سیستم‌های فشارقوی و زمین

هدف از این بخش فراهم کردن ایمنی درتاسیسات فشار ضعیف درزمان وقوع خطاهای زیر می‌باشد:

خطای بین سیستم فشار قوی و زمین در پست تراسفورمری که تأسیسات فشار ضعیف از آن تغذیه می‌گردند

قطع شدن نول درسیستم‌های فشار ضعیف

اتصال کوتاه بین هادی فاز و نول

ارت شدن تصادفی هادی فاز درسیستم فشار ضعیف IT

 

4-1-1-خطاهای بین خط فشار قوی و ارت در پست های HV/LV

برای بررسی بهتر نیاز به اطلاعات سیستم فشار قوی به شرح زیر می‌باشد:

کیفیت سیستم زمین

حداکثر جریان خطای زمین

مقاومت سیستم زمین

درچهار موقعیت اضافه ولتاژهای موقت ایجاد می‌شوند

خطای بین سیستم فشار قوی و زمین

قطع شدن نول در سیستم‌های فشار ضعیف

ارت تصادفی در سیستم فشار ضعیف IT

اتصال کوتاه در تأسیسات فشار ضعیف

4-1-2-پارامترهای تعریف شده

IE: بخشی از جریان خطای زمین درسیستم فشارقوی که در سیستم زمین پست انتشار می‌یابد.

RE: مقاومت سیستم زمین پست.

RA: مقاومت سیستم زمین بخش‌های هادی در دسترس تجهیزات فشارضعیف

RB: مقاومت سیستم زمین فشارضعیف

U0: ولتاژ نامی درسیستم‌هایTN و TT

UF: ولتاژ خطایی که درسیستم فشار ضعیف بین بخش‌های هادی در دسترس و زمین در زمان خطا ظاهر می‌شود.

U1:  تنش ولتاژی بین هادی فاز و هادی‌های در دسترس تجهیزات فشارضعیف در پست در زمان خطا

U2: تنش ولتاژی بین هادی فاز و هادی در دسترس تجهیزات فشار ضعیف درقسمت فشار ضعیف درزمان خطا

نکته : تنش ولتاژی U1 و U2، ولتاژی است که در عایق تجهیزات فشارضعیف و ارسترهای متصل به سیستم فشارضعیف ظاهر می‌شود.

Ih: جریان خطایی که درسیستم زمین بخش‌های هادی دردسترس تجهیزات بخش فشار ضعیف دریک بازه زمانی انتشار می‌یابد وقتی‌که خطای فشارقوی و اولین خطا در تأسیسات فشار ضعیف وجود دارد. این جریان درسیستم IT وجود خواهد داشت.

Id: جریان خطایی که درسیستم زمین هادی‌های دردسترس تأسیسات فشار ضعیف در زمان اولین خطا درسیستم فشار ضعیف انتشار می‌یابد. این جریان درسیستم IT وجود خواهد داشت.

Z: امپدانس بین سیستم فشار ضعیف و زمین

 

جدول 4-1-تنش ولتاژی فرکانس قدرت
 و ولتاژ خطای فرکانس قدرت در سیستم‌های فشارضعیف

4-1-3- اضافه ولتاژ در سیستم فشار ضعیف در زمان خطای زمین در فشارقوی

وقتی خطایی درزمین فشارقوی ایجاد می‌شود، اضافه ولتاژهای مختلفی در قسمت تأسیسات فشار ضعیف بوجود خواهد آمد:

-ولتاژ خطای UF

- تنش ولتاژی U1 وU2

درجدول 4-1 انواع مختلف اضافه ولتاژها قابل مشاهده است

 

 

شکل 4-1– شکل شماتیک از اتصالات احتمالی به زمین
 در پست‌ها و تأسیسات فشارضعیف و رخداد اضافه ولتاژ در زمان خطا

وقتیکه سیستم‌های زمین بخش فشارقوی و ضعیف درنزدیکی هم وجود دارد، دو روش مورد استفاده قرار می‌گیرد:

اتصال سیستم‌های زمین فشارقوی و ضعیف

جدا سازی سیستم‌های زمین فشارقوی و ضعیف

روش متداول اتصال سیستم‌های زمین به یکدیگر است. اگر سیستم فشارضعیف کاملاً در فضای سیستم زمین فشار قوی محصور شده باشد، سیستم‌های زمین فشارقوی و فشار ضعیف بایستی به یکدیگر متصل شوند.

 

4-1-3-1- دامنه و بازه زمانی ولتاژ خطای UF :

دامنه و زمان این ولتاژ نباید از مقادیر داده شده در شکل 4-2 بیشتر شود.

معمولاً هادی PEN درسیستم فشار ضعیف دربیش از یک نقطه به سیستم زمین وصل است و دراین حالت مقاومت نهایی کاهش می‌یابد و برای محاسبه ولتاژ خطای UF از فرمول زیر استفاده می‌شود:

 

فرمول شماره 4-1UF=0.5RE*IE

 

 

شکل4-2– ولتاژ خطای قابل تحمل در یک سیستم فشارقوی

4-1-3-2-دامنه و مدت زمان  تنش ولتاژی

دامنه و مدت زمان تنش ولتاژی فرکانس قدرت نباید از مقادیر مشخص شده در جدول4-2بیشتر شود.

 

 

مدت زمان جریان خطا در سیستم فشارقوی t	تنش ولتاژی a.c. مجاز در تأسیسات فشارضعیف U
>5
5
در سیستم‌هایی که نول ندارند  ولتاژ میان دو فاز می‌باشد.
نکته 1: اولین خط اشاره شده در جدول مربوط به سیستم فشار قوی با زمان قطع بالا و دومین خط مربوط به سیستم‌های فشار قوی با زمان قطع پائین می‌باشد. هر دو آنها از المان‌های طراحی مرتبط به عایق تجهیزات فشار ضعیف با اضافه ولتاژهای موقتی فرکانس قدرت می‌باشند. نکته 2: در سیستم‌هایی که نول آنها به سیستم زمین پست ترانسفورمری متصل شده باشد، وتجهیز خارج از ساختمان بوده و بدنه آن ارت نشده باشد امکان وجود اضافه ولتاژهای موقت در طول عایق آن، مورد انتظار می‌باشد.

جدول 4-2– تنش ولتاژی فرکانس قدرت مجاز

 

4-1-4-تنش ولتاژی درصورت قطع نول درسیستم های TT, TN :

اگر هادی نول درسیستم‌های چند فاز قطع شود، عایق بندی اولیه، دوبل و تقویت شده همچون مؤلفه‌های ولتاژ بین هادی فاز و نول می‌تواند به دلیل ولتاژ فاز به فاز تحت تنش قرار گیرد و این ولتاژ تنش به  افزایش یابد

 

4-1-5-تنش ولتاژی در زمان خطای ارت در سيستم IT با نول توزیع شده

اگر هادي فازدرسيستم IT به طور تصادفي ارت شود عايق بندي برای ولتاژ بین هادی فاز و نول ممکن است بطور موقت تحت تنش ولتاژي  فاز به فاز قرار گیرد. اين تنش ولتاژي مي‌تواند تا مقدار افزایش یابد.

 

4-1-6-تنش ولتاژی به سبب اتصال كوتاه بين هادي فاز و نول

در این شرایط تنش ولتاژي ممکن است به مقدارU01.45   در 5 ثانیه برسد.

 

 

4-2-حفاظت در برابر اضافه ولتاژهای گذرا با منشاء اتمسفری و یا سوئیچینگ

 الزامات خاصی برای حفاظت تأسیسات الکتریکی دربرابر اضافه ولتاژهای گذرا با منشاء اتمسفری (جوی) که از برخورد مستقیم صاعقه به منابع تغذیه و یا از سویئچینگ حاصل می‌شود باید در نظرگرفته شوند.

نکته : برای ارزیابی خطرو احتمال برخورد صاعقه به ساختمان و یا نزدیکی آن به پیوست د مراجعه گردد.

به‌طور معمول اضافه ولتاژهاي سوئیچينگ كمتر از اضافه ولتاژهاي اتمسفري مي‌باشد، بنابراين حفاظت در برابر اضافه ولتاژهاي اتمسفري حفاظت در برابر سوئیچينگ را نيز تحت پوشش قرار مي‌دهد.

مشخصات اضافه ولتاژهای گذرا با منشا اتمسفری به فاکتورهایی به شرح زیر بستگی دارد:

-نحوه توزیع سیستم تغذیه (هوایی یا زیر زمینی)

-احتمال وجود حداقل یک ارستر در ورودی تأسیسات

-سطح ولتاژ منابع تغذیه

حفاظت دربرابر اضافه ولتاژهای گذار از طریق ارسترها انجام می‌شود که برای توضیحات بیشتر به پیوست ت مراجعه شود.

 

 

4-3-اقدامات پیشگيرانه دربرابر اثرات الکترومغناطيسي

تداخل الکترومغناطیسی ممکن است باعت ایجاد اختلال و یا آسیب به سیستم‌های الکترونیکی حساس با تجهیزات فناوری اطلاعات شود.

جریان‌های حاصل از صاعقه، سوئیچینگ، اتصال کوتاه و منابع الکترومغناطیسی سبب ایجاد اضافه ولتاژ و اختلال الکترومغناطیسی می‌شوند.

این تأثیرات بیشتر در موارد زیر ایجاد می‌شوند:

-وجود حلقه‌های فلزی بزرگ

-درمکان‌هایی که سیستم سیم‌کشی الکتریکی در مسیرهای مشترک برای منابع تغذیه، تجهیزات سیگنالینگ در ساختمان کشیده شده‌اند.

مقدار ولتاژ القایی به میزان جریان تداخل di/dt و همچنین سایز حلقه بستگی دارد.

 

 

4-3-1-کاهش تداخل امواج الکترومغناطیسی

درطراحی تجهیزات الکتریکی باید نکات زیر رعایت شود تا اثرات اضافه ولتاژهای القایی و اثرات الكترومغناطیسی کاهش پیداکنند:

تجهیزات الکترونیکی حساس نباید در نزدیکی منابع انتشار دهنده تداخل الکترومغناطیسی قرار گیرند این منابع شامل :

-دستگاه سوئیچینگ برای بارهای القایی

-موتورهای الکتریکی

-ماشین‌های جوشکاری

-کامپیوترها

-رکتیفایرها

-کانورترها و رگولاتورها

-آسانسور

-ترانسفورمرها

-باسبارهای شبکه توزیع

اقدامات لازم جهت کاهش تداخل عبارتند از :

برای تجهیزات الکترونیکی حساس دربرابر اثرات الکترومغناطیسی، استفاده از ارستر و یا فیلترها برای سازگاری الکترومغناطیسی پیشنهاد می‌شود.

شیلد فلزی کابل‌ها باید به شینه هم‌بندی متصل شود.

از ایجاد حلقه‌های القایی درمسیرهای مشترک بین کابل‌های تغذیه، سیگنال و دیتا جلوگیری شود.

کابل های تغذیه و سیگنال باید مجزا از هم باشند .

استفاده از کابل‌هایی با هادی‌های هم مرکز برای کاهش جریان‌های القا شده در هادی‌های حفاظتی

استفاده از کابل‌های چند‌هسته‌ای متقارن با هادی‌های حفاظتبی مجزا برای اتصال الکتریکی بین کانورتورها و موتورها

استفاده از کابل‌های دیتا و سیگنال منطبق بر الزامات سازگاری الکترومغناطیسی که سازندگان بایستی درنظر بگیرند.

درجایی‌که سیستم صاعقه‌گیر نصب شده است باید:

-کابل‌های تغذیه و سیگنال باید از هادی نزولی سیستم صاعقه‌گیر ازطریق ایجاد حداقل فاصله یا  از طریق شیلد مجزا شود (حداقل فاصله براساس استاندارد IEC62305-3 تعیین می‌گردد).

-ورقه‌های فلزی یا شیلدهای کابل‌های تغذیه و سیگنال باید مطابق با الزامات استاندارد IEC62305-4 هم‌بند شوند.

9-اتصالات هم‌بندی باید تا حد امکان امپدانس کمی داشته باشند

10-درجایی‌که باسبار ارت برای سیستم هم‌بندی تجهیزات فناوری اطلاعات استفاده می‌شود بایستی تا حد امکان به رینگ اصلی نزدیک باشد.

 

 

4-3-2-سیستم‌های TN

استفاده از سیستم‌های TN-C درساختمان‌هایی که تجهیزات فناوری اطلاعات دارند توصیه نمی‌شود و در این مکان‌ها استفاده از سیستم‌های TN-Sتوصیه شده است.

 

 

شکل 4-3- درجایی‌که پست عمومی وجود دارد با اجرای سیستمTN-Sازجریان‌های هادی نول در سیستم هم‌بندی اجتناب شده است.

 

درجایی‌که سیستم TN-C-S می‌باشد باید از ایجاد حلقه کابل‌های سیگنال و دیتا بوسیله راهکارهای زیر اجتناب نمود :

-تغییر تمامی قسمت‌های TN-C  تأسیسات به TN-S

-درزمانیکه این امکان وجود ندارد باید از اتصالات داخلی بین کابل‌های سیگنال و دیتا دربین بخش‌های مختلف TN-S اجتناب نمود.

 

شکل 4-4- درجایی‌که پست اختصاصی وجود دارد با اجرای سیستم TN-S از جریان‌های هادی نول درسیستم هم‌بندی اجتناب شده است

 

درجایی‌که سیستم TN-C-S می‌باشد باید از ایجاد حلقه کابل‌های سیگنال و دیتا بوسیله راهکارهای زیر اجتناب نمود :

-تغییر تمامی قسمت‌های TN-C  تأسیسات به TN-S

-درزمانیکه این امکان وجود ندارد باید از اتصالات داخلی بین کابل‌های سیگنال و دیتا دربین بخش‌های مختلف TN-S اجتناب نمود.

 

 

شکل 4-5- سیستم TN-C-S در تأسیسات موجود در ساختمان

نکته: در سیستم TN-C-S جریانی که در سیستم TN-S تنها در نول جریان دارد، در شبکه‌ها یا هادی‌های مرجع کابل سیگنال، هادی‌های در معرض، و بخش‌های هادی فرعی مثل بخش‌های فلزی سازه نیز جریان دارد.

 

 

4-3-3-سیستم TT:

درسیستم TTوقتی بخش‌های هادی دردسترس ساختمان‌های مختلف به الکترودهای زمین مختلف وصل می‌شوند، اضافه ولتاژ ها ممکن است بین بخش‌های برقدار و قسمت‌های هادی دردسترس ایجاد شوند .

 

 

شکل 4-6- سیستم TT در تاسیسات ساختمان

 

4-3-4-سیستم IT

درسیستم‌های سه فاز IT، اگر خطای عایقی بین هادی فاز و بخش‌های هادی دردسترس بوجود آید، ولتاژ بین هادی فاز و بخش های هادی دردسترس می‌تواند به سطح ولتاژ فاز به فاز افزایش یابد.

 

 

شکل 4-7- سیستم IT در تأسیسات یک ساختمان

 

 

4-3-5- سرویس‌های ورودی به ساختمان

لوله‌های فلزی (آب ، گاز ...) و کابل‌های سیگنال و تغذیه ترجیحاً بایداز یک مکان وارد ساختمان شوند.

لوله‌های فلزی و زره کابل‌ها باید به ترمینال اصلی زمین از طریق هادی‌هایی با امپدانس پایین هم بند شوند.

 

 

 

 

شکل 4-9- نمونه اقدامات صورت گرفته در یک ساختمان

شماره	توضیحات و اندازه‌ها
1	کابل‌ها و لوله‌های فلزی در یک نقطه از ساختمان به آن وارد می‌شوند
2	مسیر مشترک با جداسازی‌های کافی و اجتناب از حلقه‌ها
3	همبندی تا جای ممکن کوتاه باشد، و استفاده از هادی های زمین شده موازی با کابل
4	کابل های سیگنال پوشش‌دار و یا هادی‌های زوجی بهم تابیده شده
5	جداسازی هادی نول از هادی PE
6	استفاده از ترانسفورمرهای با سیم‌پیچ‌های مجزا
7	سیستم هم‌بندی افقی محلی در صورت امکان
8	استفاده از تجهیزات کلاس 2

 

4-4- قطع اتوماتیک

وقتی خطای زمین در داخل تأسیسات رخ می‌دهد، ولتاژ خطرناکی بین بخش‌های هادی ظاهر می‌شود و اگر این بخش‌ها به طور همزمان در دسترس باشند ممکن است یک شوک خطرناک در آنها بوجودآید.شدت هرشوک برای افراد، بستگی به فاکتورهایی مانند نوع جریان، دامنه ولتاژ و مقدار زمان خطای زمین دارد. همچنین جریان خطای زمین می‌تواند سبب افزایش زیاد حرارت در هادی‌ها شده و ایجاد آتش سوزی نماید.

قطع اتوماتیک منبع یک اقدام حفاظتی است که :

-حفاظت اولیه‌ای را براساس عايق بندي اوليه بخش‌های برقدار و یا بوسيله محفظه‌ها فراهم می‌كند.

- بوسیله ارتینگ حفاظتی، هم‌بندی هم پتانسیل ساز حفاظتی و قطع اتوماتيك، حفاظت دربرابر خطا را فراهم می‌کند.

-وقتی‌که از قطع كننده اتوماتیک منبع استفاده می‌شود، کلاس تجهیزات یک و دو می‌باشد.

درطراحی سیستم حفاظتی هر تأسیساتی، باید به بازبینی‌های دوره‌ای، تست و نگهداری برای اطمینان از ایمنی توجه شود.

 

 

4-5-ارتینگ تأسیسات

اکثر تأسیسات بخشی از سیستم‌های TT وTN  هستند و هردو نوع این سیستم‌ها دارای بخش‌های هادی دردسترس مي‌باشند که باید بوسیله هادی حفاظتی مداربه ترمینال اصلی زمین متصل شوند. امپدانس حلقه خطای زمین برای عملکرد دستگاه‌های حفاظتی (فیوز RCD, و...) درزمان خطا باید به اندازه کافی کم باشد.

 

 

4-6-هم بندی هم پتانسیل ساز حفاظتی:

اقدام حفاظتی قطع اتوماتیک منبع نیازمند موارد زیر است:

-قطع اتوماتيك در زمان خطا

-ارتینگ حفاظتی

-هم‌بندی هم پتانسیل ساز حفاظتی برای کاهش ولتاژ تماس

درجاییکه قطع اتوماتیک منبع پذیرفته شده است، هم‌بندی هم پتانسیل ساز حفاظتی براي هرنوع سيستم توزيع توصیه مي‌شود (شکل 4-10).

هم‌بندی بوسیله هادی‌های هم بند هم پتانسیل ساز اصلی صورت گرفته وبخش‌های هادی فرعی را به ترمینال اصلی زمین متصل می‌کند.

هادی‌هاي فرعی شامل موارد زیر است:

-لوله‌های تأسیسات آب

-لوله‌های تأسیسات گاز

-دیگر لوله‌های تأسیساتی و داکت‌ها

-سیستم حرارت مرکزی و هواسازها

-بخش‌های استراکچر فلزی ساختمان كه دردسترس مي‌باشند

-دیگر بخش‌های فلزی مانند سینی کابل‌ها و رک‌ها

اتصال سیستم صاعقه‌گیر به هم‌بند هم پتانسیل ساز حفاظتی باید براساس الزامات استانداردIEC62305 صورت گیرد.

نکته: استاندارد مذکور، هم بندی بین سیستم صاعقه‌گیر و تجهیزات هم بندی هم پتانسیل ساز حفاظتی را الزامی می‌داند.

اتصال هم‌بند هم پتانسیل ساز حفاظتی با لوله‌های آب و گاز باید درنزدیکی نقطه ورودی ساختمان باشد. اگر بخش‌هایی عایق شده باشند باید هم بندی درقسمت‌های فلزی لوله درسمت مصرف کننده قبل از انشعاب صورت گیرد.

درجایی‌که امکان اجرا وجود داشته باشد، اتصال باید در 600 میلی متری خروجی كنتور صورت پذيرد و یا اگر كنتور درخارج از ساختمان قرارداشته باشد، اتصال مي‌تواند درنقطه‌اي درورودي ساختمان صورت گيرد.

 

 

شکل 4-10 تمهیدات ارت و هادی‌های محافظ برای تأسیسات مصرف کننده

 

4-7- ترمینال زمین اصلی:

درتأسیسات فشارضعیف بخش مصرف کننده که از شبکه توزیعTN  تغذیه می‌شوند، باید یک ترمینال زمین اصلی وجود داشته باشد واين ترمينال ازطريق هادي حفاظتي به سيستم زمين بخش توزيع متصل مي‌شود.

وقتی تأسیسات، چندین مصرف کننده را تغذیه می‌کند و منبع تغذیه اصلی دارای هادی نول و حفاظتی مشترک مي‌باشد، بايستي ترمینال اصلی زمین به یک الکترود زمین مستقل متصل گردد.

درسیستم‌های IT و TT ترمينال اصلی زمین باید فقط توسط یک الکترود زمین مستقل ارت شود.

ترمینال اصلی زمین یک نقطه مرجع برای تأسیسات است وشامل ترمینال یا باسباری است که اتصال هادی‌های حفاظتی (هادی هم بندی حفاظتی و هادی ارت) را فراهم می‌کند.

 

 

4-8- تأسیسات و موقعیت‌هايي با خطر شوك بالا

برای تأسیسات و موقعیت‌هایی كه خطر شوك بالا مي‌باشد، اقدامات بیشتری مورد نیاز باشد شامل:

-هم‌بندی هم‌پتانسیل ساز مكمل

-RCD با جریان پسماند مجاز 30 میلی آمپر و یا کمتر

-تجهيزات باولتاژ بسیار پایین حفاظتی 12F[1](PELV) وتجهيزات با ولتاژ بسیار پایین مجزا (SELV)13F[2]

وقتیكه تأسیسات، مجموعه‌اي از ساختمان‌ها را تغذیه می‌کند، برای هر ساختمان يك شينه هم پتانسیل سازي اصلی مورد نياز است كه هرکدام از اين شينه‌ها بايستي به شينه هم بندي حفاظتي متصل شود.

برای کاهش ولتاژ ایجاد شده در زمان وقوع خطا، گاهی نیاز است هم بندی هم پتانسیل ساز محلی مكمل درنظر گرفته شود.

 

 

4-9-مدارات هم‌بندی مكمل درجایی‌که زمان قطع درنظرگرفته نمی‌شود

زماني‌كه الزامات زمان قطع تجهيزات حفاظتي برآورده نمي‌شود (0.4 ثانیه و 5 ثانیه برای سیستم‌های TN 230 ولت)، هم‌بندی مكمل مطابق با شرایط زیر مورد نیاز خواهدبود:

-وقتي‌كه از مؤثربودن تجهيزات هم‌بندي مكمل مطمئن نباشيم بايستي مقاومت R شرايط زير را فراهم نمايد:

در سیستم‌های a.c               

 

در سیستم‌های d.c.              

R: مقاومت بین بخش‌های هادی دردسترس و بخش‌های هادی فرعی

Ia :جریان کاری برحسب آمپر برای تجهیزات حفاظتی

برایRCD  ها I ∆n

برای تجهیزات اضافه جریان: جریان عملکرد اتوماتیک در 5 ثانیه

 

[1]. Protective extra low valtage

[2]. Separated extra low voltage