اتصال‌کوتاه در تأسیسات الکتریکی و تابلو‌های برق

اتصال‌کوتاه به عنوان مهمترين خطا در شبکه‌ها و تأسیسات الکتريکی مطرح می‌باشد به اين علت که در صورت عدم توانايی جلوگیری از آن و همچنين عدم رفع خطا در زمان مناسب هنگام بروز اتصال‌کوتاه صدمات جبران ناپذير مالی و اقتصادی به تأسيسات الکتريکی وارد می‌گردد.

در طراحی تابلوهای برق و انتخاب تجهیزات آنها نیز لازم است ، خطای اتصال‌کوتاه و پارامتر‌های مربوط به آن مد نظر قرار گیرد و از این رو این مقاله برای علاقه‌مندان به عنوان یکی از پیش‌نیاز‌های طراحی تابلوهای برق تهیه شده است تا با مطالعه و آشنایی با آن به بررسی مطالب دیگر در خصوص طراحی تابلو مانند انتخاب تجهیزاتی مانند کلید‌های خودکار ، هادی‌ها و …. پرداخته گردد.

در تدوین این مقاله سعی‌شده است مفاهیم به شکلی ساده مطرح شود تا خواننده با آن ارتباط بهتری برقرار نماید.
اتصال‌کوتاه به معنی اتصال بین فازها و یا بین فاز‌ها و زمین و یا در شبکه‌های فشار ضعیف بین فاز ها و نول می‌باشد که به صورت مستقیم و یا با مقاومت ناچیز می‌باشد ميزان جريان اتصال‌کوتاه هم تابع پارامتر های مختلفی مانند سطح ولتاژ شبکه ، محل وقوع اتصال‌کوتاه در شبکه و نوع اتصال‌کوتاه دارد.

اتصال‌کوتاه در تابلوهای برق نيز به عنوان يک مسأله مهم مطرح بوده و لازم است مسائل مربوط به اتصال‌کوتاه در طراحی و ساخت تابلوها نیز مد نظر قرار گيرد تا اولاً امکان وقوع اتصال‌کوتاه در تابلوهای برق به حداقل برسد و ثانیاً در صورت بروز اتصال‌کوتاه ، امکان ایجاد و توسعه خطا و ایجاد مشکلات برای اپراتورها به حداقل مقدار ممکن برسد.

انواع اتصال‌کوتاه در شبکه ها و تأسیسات الکتریکی

روش مشروح و کامل محاسبات جريان اتصال‌کوتاه در مجموعه استاندارد IEC-60909 درج شده است و بر اساس این استاندارد ، اتصال‌کوتاه‌های ایجاد شده به انواع زیر تقسیم می گردند:

اتصال‌کوتاه سه فاز متقارن
اتصال‌کوتاه بين دو فاز
اتصال‌کوتاه بين دو فاز و زمين
اتصال‌کوتاه بين يک فاز و زمين

در شکل فلش های توپر جريان اتصال‌کوتاه را نشان داده و فلش های توخالی جريان‌ هادی‌های ديگر و زمين را در اثر وقوع اتصال‌کوتاه نمايش می‌دهند.

در عمل خطاهای فاز به زمين بيشترين احتمال وقوع را دارد که هفتاد درصد خطاهای اتصال‌کوتاه را شامل می گردند و خطاهای اتصال‌کوتاه دو فاز ، دوازده درصد کل ، خطاهای اتصال‌کوتاه دوفاز به زمین ده درصد و در نهایت خطاهای اتصال‌کوتاه سه‌فاز در عمل تنها هشت درصد از کل خطاهای اتصال‌کوتاه را تشکيل می‌دهند.

اتصال‌کوتاه در عمل اثرات مخرب حرارتی و الکترومکانيکی را به همراه دارد که ممکن است باعث ایجاد خسارات جبران ناپذير مالی و جانی گردد و به همين علت ، تمامی استانداردهای بين‌المللی بر اين موضوع تأکيد دارند که تابلوهای برق و همچنين تأسيسات الکتريکی طوری طراحی و ساخته و اجراء گردند که احتمال وقوع اتصال‌کوتاه به حداقل برسد و در صورت بروز چنین خطایی ، به درستی و با حداقل زمان ممکن بخش‌هایی از شبکه که دچار خطای اتصال‌کوتاه شده‌اند از مدار جدا شده تا خسارات احتمالی به سرعت محدود گردد.

در مورد اتصال‌کوتاه دو موضوع اساسی وجود دارد:

برای جلوگیری از بروز اتصال‌کوتاه لازم است عایق‌بندی سیستم به شکل کامل و صحیح صورت پذیرد ولی در صورت وقوع اتصال‌کوتاه ، نقش تجهیزات حفاظتی پر رنگ می‌گردد تا در سریعترین زمان ممکن ، با بازکردن مدار ، خطا را رفع نمایند.

علت بروز اتصال‌کوتاه چیست؟

عمده‌ترین علت بروز اتصال‌کوتاه در تابلوهای برق و تأسیسات الکتریکی ، اشکال در عایق‌بندی بین‌ هادی‌های برق‌دار یا هادی‌های برق‌دار با زمین می‌باشد.

گاهی اوقات علت اتصال‌کوتاه ضعف عایق‌بندی با توجه به شرایط شبکه مانند اضافه‌ ولتاژها و یا آلودگی محیط و …. می‌باشد که منجر به از بین رفتن تدریجی عایق‌بندی و اتصال‌کوتاه خواهد شد.

پیشنهاد می‌گردد که مقاله عایق‌بندی تابلوهای فشارضعیف در این سایت مطالعه گردد.

اتصال‌کوتاه بسته به موقعیت تابلو:
از دید تابلوهای برق ، اتصا‌ل‌کوتاه در دو موقعیت رخ می‌دهد:

• اتصال‌کوتاه داخل تابلوهای برق
• اتصال‌کوتاه خارج تابلوهای برق

اتصال‌کوتاه داخل تابلوهای برق ممکن است در بخش‌های مختلفی مانند شینه‌ها ، هادی‌ها و …. رخ دهد ولی بر اساس استاندارد IEC-61439-1 لازم است طراحی تابلوها به گونه‌ای باشد که عملا امکان بروز اتصال‌کوتاه در تابلو حداقل باشد ولی این احتمال در خارج از تابلو باشد.

اتصال‌کوتاه خارج از تابلوهای برق که در فیدر منشعب از تابلو رخ می‌دهد ، باعث عبور جریان زیادی از تابلو شده که لازم است فیدر مذکور توسط کلید‌های حفاظتی قطع گردد.
در عمل با طراحی مناسب تابلو و عایق‌بندی تابلو می‌توان احتمال وقوع خطای اتصال‌کوتاه را در داخل تابلوهای برق محدود نمود ولی در داخل تابلوهای برق مستعد‌ترین نقطه جهت بروز اتصال‌کوتاه ، ترمینال‌های تابلو می‌باشد چون محل ارتباط تابلو با خارج از آن می‌باشد و هر گونه بی‌دقتی در اتصال کابل‌ها و سیم‌ها به ترمینال‌ها ممکن است به ایجاد اتصال‌کوتاه و صدمه‌دیدن تابلو و کابل‌های متصل به آن بینجامد.

بررسی وقوع اتصال‌کوتاه و پارامترهای مربوطه

برای تفهیم بیشتر پدیده اتصال‌کوتاه لازم است یک شبکه و مدار معادل ساده را بررسی کرده و اتصال‌کوتاه را در آن مورد بررسی قرار دهیم. چنین مداری شامل یک منبع ولتاژ ، یک امپدانس که معرف امپدانس خط و منبع می‌باشد و همچنین یک امپدانس که معرف امپدانس بار می‌باشد.

در عمل امپدانس منبع معرف کلیه امپدانس های قبل از محل وقوع اتصال‌کوتاه می‌باشد

در شکل مذکور ، پس از بسته شدن کلید ، بین دو نقطه A و B اتصال‌کوتاه بوجود می آید و فرض می‌گردد که امپدانس بین این دو نقطه بسیار کم و قابل در نظر گرفتن معادل صفر می‌باشد که در این حالت جریان اتصال‌کوتاه با مقدار مشخص بوجود آمده که تنها به امپدانس Zsc محدود می‌گردد.

جریان اتصال‌کوتاه بر اساس راکتانس X و مقاومت R شرایط گذرایی خواهد داشت و در شبکه های توزیع معمولاً مقدار L بسیار بزرگتر از مقدار مقاومت R شبکه دارد و معمولا مقدار نسبت R/X بین ۰/۱ تا ۰/۳ خواهد بود.

در شکل‌های زیر به ترتيب شکل موج جريان اتصال‌کوتاه را در يک نقطه نزديک به ژنراتور و دور از ژنراتور نمايش داده شده است.

همانطوری که مشاهده می کنيد ، جريان اتصال‌کوتاه به شکل سينوسی می‌باشد و روی يک جزء نمايی سوار می‌باشد و بتدريج اين منحنی به محل اصلی خود يعنی محور افقی مختصات می رسد. در حقيقت می توان اين منحنی را به دو بخش تقسيم نمود که بخش اول بخش متناوب آن می‌باشد و بخش دوم يک تابع نمايی می‌باشد که در يک زمان مشخصی میرا شده و به صفر می رسد که بخش جریان مستقیم یا dc نامیده می‌گردد.

مقادیر و تعاریف مرتبط با اتصال‌کوتاه

جريانهايی که در خصوص محاسبات جريان اتصال‌کوتاه مد نظر قرار می‌گيرند بشرح زير می باشند :

– مقدار جريان متقارن اوليه اتصال‌کوتاه (I˝k) : مقدار موثر بخش متناوب جريان اتصال‌کوتاه در لحظه وقوع اتصال‌کوتاه می‌باشد.

• جريان اتصال‌کوتاه حداکثر (Ip) : بیشترین حد امکان عبور جريان اتصال‌کوتاه که به وقوع می‌پیوندد که اثرات الکترومکانيکی را در يک سيستم به همراه خواهد‌داشت.
• جزء dc جريان اتصال‌کوتاه : این بخش به شکل نمایی پس از وقوع اتصال‌کوتاه به سمت میرا‌شدن و از بین رفتن می‌رود.
• جريان ماندگار اتصال‌کوتاه (Ik) : مقدار موثر جريان اتصال‌کوتاه در هنگامی که تمامی اثرات گذرا از بين رفته اند می‌باشد. در عمل اين مقدار به همراه اثرات لحظه ای جهت محاسبات اثرات حرارتی اتصال‌کوتاه بکار می‌رود.

محاسبه مقدار جریان حداکثر (Peak) اتصال‌کوتاه:

با توجه به نسبت X به R شبکه یا بالعکس و با استفاده از مشخصه‌های فوق می‌توان ضریب χ را پیدا کرده و از طریق رابطه زیر مقدار جریان حداکثر یا پیک را بدست آورد:

معمولا در شبکه‌های فشارضعیف ، مقدار χ را می‌توان معادل ۱/۴۴ در نظر گرفت که در این وضعیت مقدار جریان Ip حدودا ۲ برابر جریان I”k خواهد شد.

اثرات کلی خطای اتصال کوتاه

همانطوری که عنوان گردید ، اتصال‌کوتاه اثرات مخربی دارد که بر دو اساس اثرات حرارتی و دینامیکی می‌باشند.

اثر حرارتی ناشی از وقوع اتصال‌کوتاه:

به معنی ایجاد حرارت در اثر عبور جریان با مقدار مشخص در زمان مشخصی می‌باشد که عدم قطع به موقع جریان اتصال‌کوتاه باعث ذوب شدن هادی‌ها بر اثر بالا رفتن مقدار حرارت هادی‌ها و فرارفتن آن از حد تحمل هادی‌ها ، در تابلوهای برق وقوع اتصال‌کوتاه و عدم رفع خطا به شکل و در زمان مناسب می تواند باعث ذوب شدن شينه‌ها و کابلهای حامل جريان گردد. که البته بالارفتن حرارت به علت عبور جريان اتصال‌کوتاه در عمل ممکن است باعث از بين رفتن عايق بندی هادی‌های تابلوهای برق گردد که امکان دارد آتش‌سوزی‌هایی را به همراه داشته باشد.
اثر حرارتی اتصال‌کوتاه حاصل عبور جریان حرارتی (Ith) اتصال‌کوتاه می‌باشد که این جریان ترکیبی از جزء a.c و جزء d.c جریان اتصال‌کوتاه می‌باشد که از لحظه وقوع اتصال‌کوتاه تا قطع کلید حفاظتی ادامه دارد.

اثر دینامیکی ناشی از وقوع اتصال‌کوتاه:

به دلیل شکل موج جریان اتصال‌کوتاه که در شکل مشخص شد ، بر اثر عبور جریان پیک (حداکثر) اتصال کوتاه ، بین هادی‌ها نیروهایی ایجاد می‌گردد که با مجذور جریان پیک اتصال‌کوتاه (ip) رابطه مستقیم دارد.
وقوع ضربات مکانیکی ناشی از نیروهای یاد‌شده ، باعث ایجاد اعمال فشارهای قابل توجهی به هادی‌ها و تکیه‌گاه‌های آنها شده و در صورت طراحی نامناسب تابلو باعث خم‌شدن هادی‌ها و خارج‌شدن آنها از محل اصلی خود و شکستن تکیه‌گاه‌های نگهدارنده آنها (مقره‌ها) خواهد شد.

اثر قوس الکتریکی ناشی از وقوع اتصال‌کوتاه:

در صورتی که اتصال‌کوتاه در داخل تابلوی برق رخ دهد ، قوس الکتريکی ایجاد‌شده در داخل تابلو باعث ایجاد حرارت و نور زیادی شده که ممکن است باعث ایجاد انفجار تابلو یا ایجاد آتش‌سوزی گردد که جدا از صدمه رسیدن به تابلو و تجهیزات داخل آن ، خطرات زیادی را ممکن است برای بهره‌برداران از تابلو فراهم نماید.

با توجه به خطرات فوق الذکر لازم است پيش‌بينی های لازم صورت گرفته و در اين خصوص به موارد زير به شکل کلی می‌توان اشاره نمود که در طراحی و ساخت تابلوهای برق لازم است مد نظر قرار گيرد:

۱- طراحی و ساخت تابلوهای برق به گونه‌ای که احتمال وقوع اتصال‌کوتاه در داخل آنها به حداقل برسد که این کار با عایق‌بندی صحیح تابلو و تجهیزات آن امکان‌پذیر است.
۲- طراحی و ساخت تابلوهای برق و تجهيزات داخل آنها به گونه‌ای که تحمل اثرات جريان اتصال‌کوتاه شامل اثرات حرارتی و الکترودینامیکی بوجود آمده در اثر عبور جریان اتصال‌کوتاه را داشته باشند.
۳- مجهز کردن تابلوها به تجهیزات حفاظتی جهت تشخيص اتصال‌کوتاه و باز‌کردن مدار مربوطه در سريعترين زمان ممکن
۴- مجهز کردن تابلوها به سیستم های تشخیص ایجاد قوس الکتریکی و رفع عیب در سریعترین زمان ممکن و خروج گازهای بوجود آمده در صورت نیاز جهت جلوگیری از انفجار تابلوها

شدت جریان اتصال‌کوتاه با توجه به لایه‌بندی شبکه (حداقل و حداکثر مقدار جریان اتصال‌کوتاه)

در شکل فوق ، همانطوری که توسط یک شاخص نمایش‌داده شده است ، از منبع به سمت لایه‌های بعدی شدت جریان اتصال‌کوتاه کاهش پیدا می‌کند.

اتصال‌کوتاه در نقطه E :
به دلیل نزدیکی به ترانسفورمر (منبع) و کمترین امپدانس بین منبع و محل اتصال کوتاه ، بیشترین مقدار را خواهد داشت.
اتصال کوتاه در نقطه D :
‌به دلیل امپدانس اضافه شده شامل امپدانس کلید ورودی تابلو ۱ ، شینه تابلو و کلید خروجی ، مقدار جریان اتصال‌کوتاه قابل انتظار کمتر خواهد بود ولی این این مقدار تنزل جریان اتصال‌کوتاه به دلیل امپدانس اندک کلیدها و شینه تابلو قابل توجه نخواهد بود.
اتصال کوتاه در نقطه C :
در این نقطه امپدانس کابل C1 بین تابلوی ۱ و ۲ به همراه امپدانس کلیدها و شینه تابلوی ۲ نیز اضافه شده که باعث کاهش جریان اتصال‌کوتاه در این نقطه خواهد‌شد.
اتصال‌کوتاه در نقطه B :
در این نقطه نیز امپدانس کابلهای C1 و C2 بین تابلوهای ۱ و ۲ و همچنین ۲ و ۳ به همراه امپدانس کلیدها و شینه تابلوها نیز اضافه شده که باعث کاهش بیشتر جریان اتصال‌کوتاه در این نقطه خواهد‌شد.
اتصال کوتاه در نقطه A :
این نقطه انتهای کابل متصل به تابلوی ۳ می‌باشد و جدا از امپدانس‌های یاد‌شده قبلی ، امپدانس کابل C3 نیز به آن اضافه شده که باعث می‌گردد در صورت ایجاد اتصال‌کوتاه در این نقطه ،‌ کمترین جریان اتصال‌کوتاه جاری گردد.

نکته :‌ در موارد فوق اثر محدود‌کنندگی اتصال‌کوتاه کلیدها (Current Limiting) ، مطرح نشده و این موضوع در بخش کلید‌های خودکار (Circuit Breaker) مطرح خواهد شد.
در شبکه های ساده شعاعی می‌توان با اضافه‌کردن مقدار امپدانس اجزاء بین محل اتصال‌کوتاه تا منبع ،‌ جریان اتصال‌کوتاه را محاسبه نمود.

در رابطه فوق مقدار U مقدار ولتاژ ، ولتاژ‌ مدارباز منبع بوده و مقدار ZT امپدانس شبکه تا نقطه اتصال‌کوتاه می‌باشد.

مقدار ZT از رابطه زیر بدست می‌آید و جمع برداری راکتانس و مقاومت شبکه تا نقطه اتصال کوتاه می‌باشد.

همانطوری که مشاهده می‌گردد جریانهای اتصال‌کوتاه در بخش‌های مختلف تأسیسات الکتریکی متفاوت بوده و مهمترین نکته‌ای که در این مورد مطرح می‌باشد جریانهای اتصال‌کوتاه حداکثر و حداقل بر اساس محل وقوع اتصال‌کوتاه می‌باشد.

الف) مقدار حداکثر جریان اتصال‌کوتاه که هنگامی بوقوع می‌پیوندد که اتصال‌کوتاه در نزديکترين فاصله از منبع و یا ترمينالهای تابلوهای برق به وقوع بپيوندد که علت آن وجود امپدانس حداقل در مسير اتصال‌کوتاه ، می‌باشد.
مقدار حداکثر جریان اتصال کوتاه برای انتخاب کلید‌های خودکار از نظر قدرت قطع و یا تحمل اتصال کوتاه و همچنین سایز هادی‌های داخل تابلو و تجهیزات دیگری که جریان اتصال‌کوتاه از آنها عبور می‌کند بکار می‌روند.
در حقیقت در محاسبات فرض می‌گردد که حداکثر جریان اتصال‌کوتاه هنگامی به وجود می‌آید که اتصال‌کوتاه در نزدیک ترین نقطه به کلیدقطع کننده به وقوع می‌پیوندد ضمن این که اتصال‌کوتاه را از نوع سه فاز در نظر می‌گیرند که معمولاً جاری شدن حداکثر جریان اتصال‌کوتاه را به همراه خواهد داشت.

ب) مقدار حداقل مقدار جريان اتصال‌کوتاه که هنگامی بوقوع می پيوندد که خطا در دور ترين فاصله از تابلوی برق به وقوع بپیوندد و امپدانس موجود در مسير اتصال‌کوتاه باعث کاهش مقدار اتصال‌کوتاه تا سطح معينی می‌گردد که حداقل مقدار جريان اتصال‌کوتاه را باعث خواهد شد. هنگامی که امپدانس منبع تغذيه کننده مدار نيز از حد معمول فراتر باشد باعث خواهد شد که حداقل جريان اتصال‌کوتاه حاصل گردد.
اهمیت مقدار حداقل جريان اتصال‌کوتاه اين است که هنگام بروز چنين خطايی با حداقل مقدار اتصال‌کوتاه ، رله های حفاظتی بتوانند خطا را تشخيص داده و بدرستی رفع خطا نمايند به عبارت دیگر حداقل مقدار جریان اتصال‌کوتاه ، مبنای تنظیم رله های حفاظتی تشخیص جریان اتصال‌کوتاه در تأسیسات الکتریکی می‌باشد.

هنگامی که یک شبکه از طريق چند منبع به شکل همزمان تغذيه گردد ، جهت محاسبه مقدار جریان حداقل اتصال‌کوتاه ، تنها يک منبع را وصل به سيستم در نظر می گیرند و اين در حالی است که جهت محاسبه مقدار حداکثر جریان اتصال‌کوتاه تمامی منابع را به شکل وصل در نظر می‌گيرند.

در رابطه فوق مقدار جریان اتصال کوتاه Isc بسته به مقدار ضریب C در حداکثر یا حداقل قرار می‌گیرد

بر اساس استاندارد IEC-60909 ضریب C بر اساس جدول زیر برای شبکه‌های با ولتاژهای مختلف قابل برداشت است.

استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری در محاسبه اتصال‌کوتاه:

در عمل شبکه‌ها و تأسیسات الکتریکی ساختاری پیچیده دارند و استفاده از محاسبات دستی ، بسیار زمانبر و دشوار خواهد بود و از این رو می‌توان از نرم‌افزارهای کامپیوتری به منظور انجام محاسبات اتصال‌کوتاه استفاده نمود و نرم‌افزارهایی نظیر ETAP ، DIGSILENT و دیگر نرم‌افزارها در این زمینه متداول می‌باشند و در این خصوص ویدئوهایی ارائه خواهد شد.

نتیجه‌گیری:

در این مقاله سعی شد تا خواننده با مفاهیم اولیه اتصال‌کوتاه به شکل ساده‌ای آشنا شود و در مقالات بعدی با انتخاب تجهیزات الکتریکی و ساختار تابلوهای برق بر این اساس آشنایی لازم صورت گیرد.
در عمل بدون اطلاع کافی از مفاهیم اولیه نظیر اتصال‌کوتاه ،‌طراحی تابلوهای برق و انتخاب تجهیزات حرکتی کورکورانه و دارای خطا خواهد بود.

این مقاله برای استفاده افراد علاقه‌مند به تابلوهای برق و فراگیری فنون مربوط به آن تهیه شده است و متعلق به سایت طراحی کاربردی تابلوهای برق بوده و استفاده از آنها در سایت‌های دیگر مجاز نمی‌باشد.