مدارهای الکتریکی در معرض انواع مختلفی از خطاها قرار دارند. عدم حفاظت از مدار در برابر این خطاها می تواند منجر به صدمات جبران ناپذیری شود. خرابی دستگاه ها، شبکه سیم کشی و آسیب به نیروی انسانی از جمله نتایج بروز خطاهای الکتریکی است. خطای اتصال کوتاه از جمله رایج ترین خطاهای الکتریکی است. وقوع این خطا سبب عبور جریانی بسیار بزرگ از مدار می شود.
با توجه به اهمیت بالای حفاظت از مدار در برابر اتصال کوتاه، تجهیزات حفاظتی متفاوتی برای تشخیص و ایمن سازی مدار در برابر این خطا معرفی شده اند. یکی از مهمترین بخش های حفاظت از موتور در برابر خطاها، به همین خطای اتصال کوتاه مربوط می شود. در ادامه پس از بررسی شرایط و دلایل وقوع خطای اتصال کوتاه، به معرفی تجهیزات حفاظتی ویژه این خطا خواهیم پرداخت. با من همراه باشید.
اتصال کوتاه یا Short Circuit
اتصال کوتاه در اثر برخورد غیرعادی دو نقطه از مدار الکتریکی که اختلاف پتانسیل متفاوتی دارند رخ می دهد. این برخورد منجر به عبور جریان الکتریکی بزرگی از مدار می شود که می تواند باعث آسیب به مدار، گرمای بیش از حد، آتش سوزی یا حتی انفجار شود. به منظور پیشگیری از وقوع این شرایط حفاظت از مدار در برابر اتصال کوتاه ضروری است. اگرچه اتصال کوتاه عموما در نتیجه یک خطا رخ می دهد، اما جالب است بدانید برخی از سنسورها از این وضعیت برای اندازه گیری کمیت های فیزیکی استفاده می کنند.
الکتریسیته تمایل دارد از مسیری با کمترین میزان مقاومت الکتریکی جریان پیدا کند. در حالت ایده آل اتصال کوتاه زمانی به وجود می آید که هیچ مقاومتی وجود نداشته باشد. بنابراین افت ولتاژ در دوسر محل اتصال کوتاه صفر است. در مدارهای واقعی، مقدار مقاومت در محل اتصال کوتاه تقریباً صفر است. طبق قانون اهم، جریان عبوری از تقسیم ولتاژ بر مقاومت به دست می آید. وقتی مخرج کسر (مقاومت الکتریکی) به سمت صفر میل کند، حاصل کسر (جریان) به سمت بینهایت میل می کند.
الکتریسیته طبیعتاً به دنبال مسیری است که کمترین میزان مقاومت را دارد. از این رو وقتی اتصال کوتاه در مدار رخ می دهد، همه جریان از مسیر اتصال کوتاه عبور می کند. همین مساله سبب ایجاد گرمای بیش از حد و یا حتی آتش سوزی می شود. این وضعیت به دلایل مختلفی در مدار ایجاد می شود.
دلایل بروز اتصال کوتاه
هر اتفاقی که سبب برخورد سیم های فاز و نول، فازهای غیرهمنام و یا فاز و زمین با یکدیگر شود، عامل ایجاد اتصال کوتاه است. از خطای انسانی گرفته تا موارد پیش بینی نشده را می توان در لیست بلندبالای زیر جای داد. مهمترین دلایل ایجاد اتصال کوتاه عبارتند از:
- جویده شدن سیم توسط حیوانات موذی
- تماس آب یا مایعات دیگر با سیم های برق
- محکم نشدن کافی اتصالات جعبه برق
- خراب شدن روکش کابل برق
- افزایش جریان عبوری و ذوب شدن هادی
فارغ از اینکه اتصال کوتاه به چه دلیلی ایجاد می شود، حفاظت از مدار در برابر اتصال کوتاه ضروری است. اما چگونه می توان این خطا را تشخیص داد و مدار را در برابر آن ایمن کرد؟ با من همراه باشید تا پاسخ این سوالات را پیدا کنیم.
تشخیص اتصال کوتاه
همانطور که در بخش های قبل اشاره شد، وقوع اتصال کوتاه در مدار اجتناب ناپذیر است. مساله بسیار مهم تشخیص اتصال کوتاه است. تجهیزات مختلفی برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرند. اما همه آن ها از روش های نسبتا مشابهی برای تشخیص این وضعیت در مدار استفاده می کنند. تجهیزات حفاظتی مدار با عنوان بریکر شناخته می شوند. بریکرها دارای بخشی به نام تریپ یونیت هستند که وظیفه تشخیص خطا را بر عهده دارد. خطاهای مختلف به روش های متفاوتی شناسایی می شوند.
در تجهیزات سنتی از یک مکانیزم مغناطیسی برای تشخیص خطا استفاده می شود. تجهیزات مدرن تر که دقت تشخیص بالاتری دارند، از مدارات الکترونیکی برای اندازه گیری جریان و تشخیص خطا بهره می برند. لازم به ذکر است تریپ یونیت الکترونیکی روی برخی از انواع بریکر قابل استفاده است.
در مقاله “آشنایی با تریپ یونیت کلید اتوماتیک” به بررسی دقیق این دو روش پرداخته ایم.
مکانیزم الکترومغناطیسی
این مکانیزم بخش از تریپ یونیت حرارتی مغناطیسی است که به جریان های لحظه ای بالا (ناشی از اتصال کوتاه) پاسخ می دهد. در واقع بخش مغناطیسی تریپ یونیت وظیفه حفاظت در برابر اتصال کوتاه را بر عهده دارد. این عنصر از یک سیم پیچ و هسته مغناطیسی تشکیل شده است. تریپ الکترومغناطیسی در دو نمونه آستانه تریپ ثابت (کلید اتوماتیک ثابت) یا آستانه خطا قابل تنظیم (تریپ لحظه ای قابل تنظیم) عرضه شده است.
این واحد، تریپ آنی بریکر روی جریان اضافه از پیش تعیین شده (چند ورودی) را فعال می کند. این واحد زمان تریپ ثابتی (حدود چند ده میلی ثانیه) دارد و مدار را در برابر اتصال کوتاه محافظت می کند.
تریپ یونیت الکترونیکی
این واحدها از قطعات الکترونیکی برای اندازه گیری جریان عبوری از مدار استفاده می کنند. دقت بالا و ویژگی هایی مانند اندازه گیری پیشرفته، عیب یابی پیشرفته، ثبت شکل موج، ثبت رویدادها، رابط های ارتباطی متنوع، قابلیت برنامه ریزی گسترده و گزینه های سفارشی از جمله مزیت های این تریپ ها نسبت به نمونه های حرارتی مغناطیسی است. در کاربردهای حساس حفاظت در برابر اتصال کوتاه توسط بریکرهای با تریپ یونیت مغناطیسی انجام می شود.
واحدهای تریپ الکترونیکی انعطاف پذیری بیشتری برای تنظیم منحنی های تریپ و حفاظت دقیق تر فراهم می کنند. این واحدها در برندهای مختلف، نامگذاری متفاوتی دارند. به عنوان مثال واحد تریپ الکترونیکی در تجهیزات حفاظتی زیمنس زیمنس با نام ETU و در محصولات اشنایدر با نام میکرولاجیک شناخته می شود. در برخی از منابع نام تریپ یونیت میکروپروسسوری نیز برای این گروه ذکر شده است.
تجهیزات حفاظت در برابر اتصال کوتاه
اتصال کوتاه از جمله خطاهای رایج در مدار الکتریکی است که به دلایل مختلفی بروز می کند. این خطا به دو روش مغناطیسی و یا استفاده از تریپ یونیت الکترونیکی تشخیص داده می شود. تجهیزات مختلفی برای حفاظت از مدار در برابر این خطا معرفی شده است. مهمترین تجهیزات مورد استفاده برای تشخیص خطای اتصال کوتاه عبارتند از:
فیوز
فیوز یکی از قدیمی ترین تجهیزات حفاظتی مدار است. فیوزها در مسیر عبور جریان قرار می گیرند. وقوع اتصال کوتاه سبب افزایش جریان عبوری از مدار می شود. این افزایش جریان به حدی می رسد که می تواند منجر به ذوب شدن فیوز شود. با ذوب شدن فیوز، مسیر جریان و در نتیجه مدار قطع می شود. فیوزها عموما در جریان های پایین مورد استفاده قرار می گیرند. فیوزها یکبار مصرف هستند و پس از ذوب شدن نیاز به تعویض دارند.
کلید مینیاتوری یا MCB
رایج ترین بریکر مورد استفاده برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه، کلید مینیاتوری است. این کلیدها اغلب با نام فیوز مینیاتوری نیز در بازار شناخته می شوند. این بریکر در کاربردهای مسکونی، تجاری و صنعتی به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. گستره جریان تحت پوشش کلید مینیاتوری در برندهای مختلف متفاوت است. به عنوان مثال کلید مینیاتوری زیمنس رنج جریان کمتر از یک آمپر تا 100 آمپر را پوشش می دهد.
کلید اتوماتیک یا MCCB
کلید اتوماتیک، کلید کامپکت یا MCCB، بریکری با قابلیت قطع زیر بار است. این کلید به منظور حفاظت از مدار و تجهیزات الکتریکی در برابر خطاها مورد استفاده قرار می گیرد. نمونه های سنتی این کلیدها از تریپ یونیت حرارتی – مغناطیسی بهره می برند و قادر به حفاظت در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار هستند. کلیدهای پیشرفته تر به واحد تریپ (تریپ یونیت) پیشرفته الکترونیکی مجهز هستند. این تریپ ها قادرند خطای اتصال زمین و خطای هادی نول را نیز شناسایی کنند.
برندهای مختلف انواع مختلفی از این کلیدها را به بازار عرضه می کنند. به عنوان مثال کلید اتوماتیک زیمنس در سری های مختلف با قابلیت های متفاوت عرضه می شود. کلید اتوماتیک 3VM زیمنس از نمونه های اقتصادی این محصول است که با تریپ یونیت حرارتی – مغناطیسی عرضه می شود. حداکثر جریان تحت پوشش این خانواده 630 آمپر است.
اما کلید اتوماتیک 3VA زیمنس رنج جریان گسترده تری دارد. این محصولات با کیفیت در دو سری 3VA1 و 3VA2 عرضه می شوند. سری 3VA2 نمونه های پیشرفته تر این کلیدها است که از تریپ یونیت الکترونیکی بهره می برد.
حفاظت در برابر اتصال کوتاه با کلید هوایی
ACB یا Air Circuit Breaker یک وسیله حفاظت الکتریکی است که حفاظت در برابر اتصال کوتاه و اضافه جریان را امکانپذیر می کند. این کلیدها در مدارات با ولتاژ و جریان بالا مورد استفاده قرار می گیرند. کلید هوایی قادر است جریان های بزرگ 800 آمپر تا 10 کیلو آمپر را قطع و صل کند.
ACB ها مانند سایر بریکرها، با فراتر رفتن جریان از یک حد معین و به منظور جلوگیری از آسیب به تجهیزات یا سیم کشی مدار را قطع می کنند. دلیل نام گذاری این بریکرها، استفاده از هوای فشرده برای کنترل جرقه های ایجاد شده در زمان باز کردن کنتاکت ها است. کنتاکت ها معمولاً از مس یا نقره ساخته می شوند و به گونه ای طراحی شده اند که در مقابل سطوح بالای جریان الکتریکی مقاومت کنند. این بریکرها نیز در رنج جریان های متنوعی عرضه می شوند. به عنوان مثال کلید هوایی زیمنس در سری های مختلف رنج جریان 400 تا 6300 آمپر را پوشش می دهد.