تاثیر جریان اتصال کوتاه ماکزیمم بر اجزای داخلی تابلو برق
در نظارت، طراحی و تست و تحویل تاسیسات الکتریکی دو نوع اتصال کوتاه را باید محاسبه و مورد توجه قرار داد:
1-جریان اتصال کوتاه مینیمم
اتصال کوتاه حداقل که در مدارهای انتهایی و در دورترین نقطه از آن ها اتفاق می‌افتد. برای اینکه ببینید کلید حفاظتی در این اتصال کوتاه حداقل قطع خواهد کرد یا قطع نخواهد کرد.
2- جریان اتصال کوتاه ماکزیمم
توسط حداکثر اتصال کوتاه، کارایی و تحمل تجهیزات و اجزاء داخلی تابلو برق مورد سنجش قرار می‌گیرد. معمولا جریان اتصال کوتاه ماکزیمم بدلیل نزدیکی به منبع، در داخل تابلو و بلافاصله در خروجی کلیدهای قطع و وصل اتفاق می‌افتد. هر چه قدر تابلو برق به محل منبع انرژی مانند ژنراتور یا ترانسفورماتور نزدیکتر باشد شدت آن نیز بیشتر خواهد بود. و اگر تابلو برق در پست برق و در مجاورت ترانسفورماتور قرار داشته باشد، مقدار آن بر اساس جریان اتصال کوتاه ترانسفورماتور محاسبه می‌گردد. جهت فهم بهتر موضوع به مثال‌های زیر که از تجربیات ارزنده مرحوم رحیم سلیمان آذر می‌باشد توجه بفرمایید:
مثال 1: فرض کنید یک ترانسفورماتور 630 کیلوولت آمپر با امپدانس 6 درصد(UK%) داشته باشید. جریان اتصال کوتاه تابلو برق نزدیک به ترانسفورماتور به این صورت محاسبه می‌گردد:
630 کیلوولت آمپر را در عدد 5/1 ضرب می‌کنید، جریان ترانسفورماتور با تقریب بسیار خوبی در بار نامی بدست می‌آید که حدودا 900 آمپر می‌شود.
900 آمپر ضربدر 100، تقسیم بر 6 جریان اتصال کوتاه حداکثر ترانسفورماتور برابر 15 کیلو آمپر محاسبه می‌گردد.
مثال 2: اگر ترانسفورماتور 1000 کیلوولت آمپر داشته باشید:
1000 ضربدر 5/1 ، ضربدر 100 تقسیم بر 6 می‌شود جریان اتصال کوتاه نامی ترانسفورماتور 25 کیلوآمپر بدست می‌آید.
همانطور که گفته شد مثال‌های فوق برای شرایطی است که تابلو بسیار نزدیک به منبع اصلی یا ترانسفورماتور می‌باشد. در تابلوهایی که از ترانسفورماتور دور هستند، باید حلقه امپدانس اتصال کوتاه ( Short circuit loop impedance ) را محاسبه کنید.
امپدانس حلقه کوتاه عبارت است از امپدانس سیم پیچ فاز ترانسفورماتور، امپدانس کابل از ترانسفورماتور تا تابلو، امپدانس هادی PE، و امپدانس نول یا PEN تا نقطه خنثی. این امپدانس‌ها را به صورت برداری با هم جمع می‌کنید و ولتاژ 230 را بر حاصل این جمع برداری تقسیم می‌کنید تا جریان اتصال کوتاه تابلو بدست آید.
جریان اتصال کوتاه ماکزیمم چه اثراتی دارد:
الف- تولید حرارت بالا
ب- ایجاد نیروی الکترودینامیکی
لذا تجهیزات داخلی تابلو، کلیدها، شینه‌ها، کابل‌ها، سرکابل‌ها یا کابلشوها، تکیه گاه‌ها و محل اتصالات باید در برابر حرارت بالا و هم در برابر نیروی الکترودینامیکی استقامت کافی داشته باشند.
اثر تولید حرارت بالا ناشی از جریان اتصال کوتاه ماکزیمم:
از نظر استقامت حرارتی و برای زمان‌های بیش از 5 ثانیه، کابل‌های PVC تا 70 درجه سانتیگراد و کابل‌های XLPE یا کراسلینگ تا 90 درجه سانتیگراد را تحمل می‌کنند. ولی اگر زمان قطع کلید و قطع جریان برق مدار کمتر از 5 ثانیه باشد کابل PVC تا 160 درجه و کابل XLPE تا 250 درجه سانتیگراد را می‌تواند تحمل کند.
شینه‌های لخت اگر دارای اتصالات جوشکاری شده باشند تا 700 درجه سانتیگراد در یک ثانیه را تحمل می‌کنند. ولی اتصال کابل‌ها و هادی‌ها به شینه‌ها معمولا از نوع پیچی با کابلشو یا سرکابل می‌باشد. بنابراین توصیه می‌شود درجه حرارت نهایی شینه‌ها بیشتر از 250 درجه سانتیگراد انتخاب نگردد.
برای انتخاب شینه‌ای که حرارت ناشی از جریان اتصال کوتاه حداکثر را تحمل کند در صفحه 127 کتاب راهنمای طرح و اجرای تاسیسات الکتریکی اثر مرحوم آلدیک موسسیان( معروف به راهنمای محبث 13 ) جدولی ارائه شده است که برای درجه حرارت‌های مختلف شینه در 1 ثانیه و 3 ثانیه جریان اتصال کوتاه آنها داده شده است.
چون تابلو برق مدارهای میانی هستند و در سیستم TN تا 5 ثانیه زمان قطع، می‌تواند طول داشته باشد. توصیه می‌شود که استقامت حرارتی شینه برای 5 ثانیه محاسبه گردد.
با استفاده از این جدول کافیست جریان اتصال کوتاه شینه در 250 درجه سانتیگراد و با زمان 1 ثانیه را انتخاب کنید. و آن را بر تقسیم کنید تا جریان اتصال کوتاه در 5 ثانیه بدست آید.
مثال 3: فرض کنید یک شینه مسی 25×4 در 250 درجه سانتیگراد و در زمان 1 ثانیه تحمل جریان اتصال کوتاه 6/17 کیلوآمپر را دارد. این شینه در 5 ثانیه دارای جریان اتصال کوتاه 8/7 خواهد بود. به این معنی که 6/17 کیلوآمپر را تقسیم بر می‌کنید جریان اتصال کوتاه برابر 8/7 کیلوآمپر بدست می‌آید.
مثال 4: یک تابلو برق ترانسفورماتور 630 را در نظر بگیرید طبق نتایج مثال 1، جریان اتصال کوتاه آن 15 کیلوآمپر می‌باشد. طبق جدول فوق، شینه منتخب برای این تابلو 50×4 مس، در یک ثانیه برابر 35 کیلوآمپر ارائه شده است. ولی در 5 ثانیه 35 تقسیم بر ، برابر 6/15 کیلوآمپر بدست می آید که برای تابلو برق ترانسفورماتور 330 مناسب می‌باشد.
در این مثال به یک نکته بسیار مهمی باید توجه شود: همان طور که دیدید، که برای 15 کیلوآمپر جریان اتصال کوتاه در 5 ثانیه، شینه‌ی مسی با ابعاد 40×5، یعنی برابر 200 میلی متر مربع بدست آمده است. آیا این شینه برای انتقال جریان 900 آمپر ترانسفورماتور 630 کیلوولت آمپر به طور دائم جوابگو خواهد بود؟
خیر. زیرا شینه 40×5 نمی‌تواند 900 آمپر را به طور دائم انتقال بدهد. شینه‌ای که بتواند جریان 900 آمپر را به طور دائم انتقال بدهد شینه 50×10 خواهد بود یعنی برابر 500 میلی متر مربع می‌باشد. پس باید شینه‌های مربوط به فازها را 500 میلی متر مربع انتخاب کنید ولی شینه‌ی حفاظتی که فقط مسئول عبور اتصال کوتاه در 5 ثانیه می‌باشد نصف شینه فاز انتخاب گردد.
اهمیت استقامت دینامیکی در مقابل تنش‌های ناشی از جریان اتصال کوتاه ماکزیمم
نیروی الکترودینامیکی که در اثر جریان اتصال کوتاه ایجاد می‌شود ممکن است که اتصالات سست متصل به شینه‌ها مانند سرکابل‌ها، کابلشوها، تکیه گاه‌ها را از جا کنده و شینه‌ها را خم و دفرمه کند که باید به آن توجه داشت.
نیروی الکترودینامیکی با مجذور جریان متناسب و با فاصله شینه‌ها و کابل‌ها از هم نسبت عکس دارد. یعنی هر چقدر دو کابل یا دو شینه به هم نزدیکتر باشند نیروی الکترودینامیکی بیشتر خواهد شد.
برای کاهش این نیرو می‌توانید اولاً اگر ابعاد تابلو امکان این کار را بدهد، فاصله هادی‌های جریان‌دار را بیشتر کنید. ( ولی فاصله تکیه گاه‌های آن ها را می‌توانید کمتر در نظر بگیرید.) یعنی اگر کابل را با کابلشو به شینه وصل کرده باشید بست پایینی کابل را سعی کنید نزدیک به شینه قرار دهید. این فاصله بین شینه و بست در هیچ شرایطی نباید از 80 سانتی متر بیشتر باشد. قابل توجه آنکه، هرچه این فاصله کمتر باشد نیروی الکترودینامیکی بیشتری را تحمل می‌کند.
ثانیاً برای کاهش نیروی الکترودینامیکی، شینه‌ها را به صورت عمودی مقابل هم قرار ندهید. یعنی آن ها را به صورت افقی قرار دهید. به طوری که ضخامت شینه‌ها به جای عرض شینه، مقابل هم قرار گیرند.
مثلا شینه‌ی 5×40 را اگر بخواهید قسمت عرض آن یعنی 40 میلی متر، مقابل هم قرار گرفته باشند، نیروی الکترودینامیکی خیلی بالا و حتی تا دو برابر بیشتر خواهد شد. ولی اگر ضخامت این شینه یعنی 5 میلی متر آن مقابل همدیگر قرار گرفته باشند نیروی الکترودینامیکی به شدت کاهش پیدا می‌کند. همچنین تکیه گاه‌های شینه‌ها هر چقدر که ابعاد تابلو اجازه می‌دهد به همدیگر نزدیکتر کنید.
نکته پایانی: برای محاسبه نیروی الکترودینامیکی باید به جای جریان موثر اتصال کوتاه، جریان آنی یا به عبارت دیگر جریان ضربه‌ای آن محاسبه گردد. یعنی اگر جریان اتصال کوتاه موثر برابر I باشد جریان پیک آن برابر I می‌گردد ولی جریان ضربه‌ای آنی برابر 1.8× I و این جریان را برای نیروی الکترودینامیکی اجزاء تابلو منظور کنید و استقامات آن ها را بسنجید.
دستگاه تست اتوماتیک رله و حفاظت مدل ARTES 560 محصول KoCoS آلمان
تستر مقاومت عایقی 1 کیلوولت مدل MH401 مولتی متریکس
