دستگاه های حفاظی امنیتی

هماهنگی دستگاه حفاظتی
دستگاههای حفاظتی در سیستم های توزیع برای حذف و یا حداقل کردن آسیب ها به مدار ها و دستگاهها ، و بهبود برق رسانی مداوم ، به مصرف کننده ها به کار برده می شوند . سبک و درجه حفاظت به وسیله چند فاکتور تاثیر گذار فراهم شده است . مهندس که نقشه سیستم حفاظتی را طراحی می کند باید این فاکتور ها را لحاظ کند و همچنین به منظور رسیدن به حفاظت هماهنگ شده مناسب و عملی از این فاکتور ها ترکیب میانه ای را ایجاد کند . باری که تامین می شود

بیشترین تاثیر را روی طراحی نقشه حفاظتی خواهد گذاشت زیرا مشخصه هایی از بار هستند که طراحی شبکه توزیع را مشخص می کنند . در مناطقی که شدت بار زیاد است روی سیستم توزیع سرمایه گذاری می شود که سرمایه گذاری روی دستگاههای حفاظتی به نسبت بزرگی این

سرمایه گذاری خواهد بود . برای مثال همه شهرهای بزرگ در ایالات متحده عموماً فرم شبکه توزیع به صورت سه فاز زیر زمینی ، سیستم شبکه فشار ضعیف متناوب است ، که حفاظت اسجاد شده با این نوع سیستم ، ماهرانه تر و نسبتاً گران قیمت تر است . اما این فرم حفاظت متناسب است با سرمایه ای که روی سیستم گذاشته شده است . در مناطق شهری و روستایی که نسبتاً شدت بار روشنایی است ، استفاده از سیستم هوایی با سیم کشی شعاعی که برق تک فاز را برای

مصرف کننده فراهم می کند ، غالب تر است . این نوع سیستم به این دلیل استفاده می شود که سرویس دهی و عملی را برای این نوع بارها ( روشنایی ) فراهم می کند .

طرح حفاظتی استفاده شده در این سیستم نسبتاً ساده و ارزان قیمت است ، اما با این وجود میزان سرمایه گذاری روی طرح حفاظتی ، با سرمایه گذاری روی سیستم متناسب است . طراح نقشه حفاظتی باید از چندین طرح سیستم استفاده کند ، از آنجایی که طراحی نقشه حفاظتی باید بر اساس سیستم توزیع باشد بعضی از فاکتورهایی که روی طراحی سیستم توزیع تاثیر می گذارد و به نوبت روی طراحی نقشه حفاظتی تاثیر گذارند عبارتند از :
الف) احتیاجاتی که سیستم باید برآورد کند .

۱- ظرفیت برای بار اولیه
۲- قابلیت انعطاف برای سازگاری طرح با بارهای آینده
۳- تلفات معقول
۴- تنظیم ولتاژ خوب
۵- قوانین و دستورات محلی
ب) ملاحظات قیمت
۱- قیمت اولیه

 

۲- قیمت نگهداری و بهره برداری
قیمت نهایی
ت) شرایط محلی
۱- مناطق هوایی

۲- مناطق زیر زمینی
۳- قابلیت دسترسی به محل پست
۴- قابلیت دسترسی یه حریم جاده
رعایت این شرایط به عهده مهندس حفاظت سیستم است که نقشه حفاظتی را طراحی کند که حفاظت مطلوب برای دستگاه ها را فراهم کند و همچنین سرویس دهی مناسب مورد نیاز بار را با قيمت مطلوب فراهم کند. بسياري از شرکت ها استانداردهايي از کيفيت سرويس دهي پايه زمان استمرار سرويس دهي براي دادن به يک نوع مدار را به صورت پايه سالةيانه فراهم مي کنند.اگر اين استانداردها براي بهبود و عملکرد سيستم فراهم نشوند. معمولاً تغييرات عملي روي نقشه

حفاظتي ايجاد مي شود. اين فصل چند دليل از شرايط اضافه جريان روي سيستم توزيع و مشخصات و کاربرد دستگاههاي حفاظتي اضافه جريان را مورد بحث قرار مي دهند.
دامنه وپيچيدگي مشکلاتحفاظت اضافه جريان باعث مي شود که مباحث اين فصل بيشتر روي جنبه هاي مهم حفاظت اضافه جريان معطوف شود.
جهت دستيابي به اهداف اين فصل تعريف اصلاح هاي زير بايد به کار ببريم :

شرايط اضافه جريان شرايطي است که وقتي در مدار به وجود آيدکه مقدار جريان جاري شده در مدار براي مدت کوتاهي بيشتر از جريان هاي هر يک از تجهيزات شود. اضافه جريان در مدار ممکن است حداکثر اضافه بار ، انتقال کوتاه ، جريان ضربه غير نرمالي با هر چيزي که ممکن است جريان ضربه نرمال را تحت تأثير قرار دهد. اضافه بار ممکن است در اين صورت تعريف شود که جريان بار مي تواند باعث بالا رفتن درجه حارت تجهزات مدار شود در نتيجه درجه حرارت نهايي بيشتر مقدار درجه حرارت کار تجهيزات مي شود که جريان مجاز ايجاد مي کند.

اتصال کوتاه ه اين صورت تعريف مي شود که جريان از يک هادي به زمين و يا هادي ديگري به دليل اتصال غير عادي آنها جاري مي شود.
ضربه هاي غير عادي روي سيستم توزيع، جريان هاي گذرايي هستند که به دليل ساعقه و عمل کليد زني در شبکه به وجود مي آيد.

جريان هاي گذرا که بعد از يک خاموشي طولاني ايجاد مي شود و جريان هاي هجومي ناشي از راه اندازي موتورها به عنوان موج هاي عادي بايد مورد توجه قرار گيرند.
I : خطاها روي سيستم توزيع

بيشتر خطاها در سيستم توزيع يا سيستم انتقال و يا در وسايل توليد انتفاق مي افتد. بعضي از فاکتورهاي که در اين خطا سهيم بودند نوع ساختار استفاده شده و نقشه حفاظتي استفاده شده در سيستم توزيع نسبتاً در درجه مهمتري قرار دارد. مهندس توزيع دائماً سعي مي کند جهت بهبود عمليات سيستم تعداد خطاهايي که رخ مي دهد با نقطه مينيمم برساند. ابزار پايه هستند جهت بهبود عمليات سيستم اين دو به هم وابسطه هستند که براي رسيدن به بهترين عملکرد در پايه عمل بايد با هم هماهنگ شوند.

۱- انواع خطاها :
خطاها روي سيستم توزيع به دو دسته پايدار و نا پايدار طبيعي دسته بندي مي شوند. خطاهاي ناپايدار وممکن استه خطاهاي خود آشکار تعريف شوند. يا خطايي که مي تواند به وسيله قطع لحظه اي با هادي ها ايجاد کند . اگر خطايي که در ابتدا اهميتاً ناپايدار است ، توسط عملکرد دستگاه هاي حفاظتي سريعاً آشکار نشودو يا خطا تماماً خود آشکار نباشد، مشخصه هاي خطا ممکن است تغيير کند و به خطاي پايدار طبيعي تبديل شود.

خطاهاي پايدار طبيعي به خطاهايي گفته مي شود که بي اعتنا از سرعت دستگاههاي حفاظتي اضافه جريان است و گاهي اوقات دستگاهها به دليلخطا پايدار (ناپايدار) مدار را قطع و وصل مي کنند. از جمله خطاهايي که باعث به وجود آمدن خطاهاي پايدار طبيعي مي شود مي توان به قطع شدن هادي ها توسط درختان ، سوختن آنها توسط قوس ، اشياء

خارجي و هادي ها افت خط به علت شکستن تپرها و عيب دستگاه ها اشاره کرد.
۲- علل خطاها
بيشترين علت خطاها در مدار هاي توزيع هوايي ناشي از باد، درختان ، ساعقه و عيب تجهيزات و سيم کشي است. از عوامل عمومي خطا ها مي توان اشياء انسان ، سطح عايقي ، برف يا اشياء خارجي را نام برد.توزيع مدار زيرزميني ، جاهايي که هادي ها و دستگاهها در معرض عناصر (باد ، حرکت و…) قرار نمي

گيرد.بيشترين دليل خطاها ناشي از عيب تجهيزات و سيم کشي و اشتباه انسان است.
تجربه نشان داده استکه بيشترين خطاهايي که در روي مدارها توزيع هوا رخ مي دهد.ابتدا خطاي ناپديدار طبيعي است . نتايجثبت شده نشان مي دهد که اين خطاها ممکن است ۷۰ تا ۸۰ در صد از کل خطاهاي ايجاد شده سيستم باشد.
به دليل اينکه در صد زيادي از خطاهايي که روي سيستم هوايي انتفاق مي افتد ناپايدار طبيعي هستند بنابراين ايجاد شيوه حفاظت اضافه جريان براي طرح (حفاظتي) ضروري خواهد شد.اين قبيل طراحي هاي دستگاه هاي حفاظتي اضافه جرياني ايجاب مي کند که مدار را قطع بکنند و بعد از

مدت زمان کافي مدار را در شرايط مدار باز براي آشکار شدن خطا دوباره مدار را ببندد. ممکن است جهت آشکار شدن نوع خطاي ناپايدار طبيعي لازم باشد که مداد را چند بار باز و بسته کنيم با اين وجود مزاياي آشکار شدن خطا با هر بار قطعه وصل کردن جهت دادن خطا، سريعاً کاهش پيدا مي کند. اگر در يک زمان تناوب داده شده خطا آشکار نشد، بسته به نوع خطا، خطاي پايدار طبيعي اتفاق افتاده و به وسيله قطع و وصل نمي توان آن را آشکار کرد.

استفاده از دستگاه هايي که هنگام خطا مدار را باز و بسته مي کنند ، به طور کلي طول عمر مصرف را در مصرف کننده ها خيلي کاهش مي دهد، زيرا طول عمر مصرف کننده طخيلي کاهش مي دهد ، زيرا طول عمر مصرف ، به دليل خطاي ناپايدار خذف شود وقتي که ا«ي دستگاه ها استفاده نشوند.

سرعت عملکرد دستگاه هاي حفاظتي اضافه جريان به دلايل زيادي روي ماهيت خطا تأثير خواهد گذاشت براي مثال اگر .دو هادي يا خطاي پوشش آب و هوايي (باد ، توفان ) با هم نوسان بکنند ا«ي نوسان قوس را بين دو هادي ايجاد مي کند . اگر زمان آشکار شدن مدار خيلي طول بکشد. اين قوس ممکن است باعث سوخته شدن هادي ها بشود . اين طول کشيدن زمان آشکار، يکي از دلايلي است که باعث مي شود خطايي که در ابتدا ناپايدار طبيعي بوده به پايدار طبيعط تبديل

شود. در مدارهاي زير زميني عملاً همه خطاها پايدار طبيعي هستند . بنابراين حفاظت مدارهاي زيرزميني با دستگاه هاي حفاظتي که مدار را باز و بسته مي کنند داراي بهره کم يا ناچيزي است . باز و بسته کردن خطاي پايدار در اين مدارها فقط آسيب ديدن مدار و دستگاه هاي مرتبط با آن زياد مي کند.
۳- داده هاي خطا
در سال ۱۹۴۷ گروه کاري مشترک از EEI و AIEE براي گرفتن اطلاعاتي جهت عملکرد گونه هاي مختلفي از ساختار و حفاظت در مدار هاي توزيع شکل گرفت.
گزارش آماده شده به وسيله اين گروه کاري مشترک، داده هاي خطا را براي مدارهاي توزيع هوايي در کلاس ۵kv ، پوشش داده بود . داده ها شامل گزارش هايي بود از ۱۹۲۵ خطا در سال که در طول يک مدار ۱۱۷۲۱ مايلي اتفاق افتاده بود ، مدار هوايي که ۳۲ شرکت خدماتي را به کار مي انداخت که اکثرا در ايالات متحده و قسمتي از کانادا بود.

محل خطاها در طرف بار بود، فيوزهاي ترانسفورماتور توزيع شامل داده ها نبوده داده هاي آماده شده فقط کسر کوچکي از تمام مسافتي است که مدار توزيع طي کرده. و ممکن است تعيين موثق به وسيله روش نمونه گيري آماري نسبت به مدار خواسته شده کمتر باشد. چون که آنها اطلاعات مفيدي را براي مهندس توزيع فراهم مي کنند، به اين دليل يک اطلاعات ب طور خلاصه به صورت در صد در اینجا بیان شده است.

۱- خطاها ايجاد شده بود به وسيله :
a- باد و درختان ۴۶% b-ساعقه ۱۹% C: عيب سيم کشي و تجهيزات ۱۱%
d : خطاي انساني ۹% e: عايق (مهره ها) ۶% f : برف ۵/۱%
g : اشياء خارجي ۵/۱% h : ديگر عوامل ناشناخته ۶%
۲- محل خطا
a : در روي سيم ها ۷۷% b : در ® ۲۳%
۳- ميزان خطا ۴/۱۶% خطا در mi100 مدار در طول سال
۴- نوع خطا a . ناپايدار ۶۱%
b : پايدار ۳۹% ( ۳/۱ از خطا پايدار گزارش شده ابتدا ناپايدار بوده اند)
۵- به نظر مي رسد فاصله هادي ها بيشترين فاکتور ساختاري مهم باشد . افزايش فاصله هوايي بين هادي ها ، در کاهش خطاهاي پايدار به وجود آمده توسط باد و درختان در mi 155 مدار . مفيد خواهد بود . حداقل فاصله اي که براي اين منظور خواسته مي شود in 29 است. فاصله هوايي (هادي ها ) تأثير کمي روي خطاهاي ناشي در اثر برف دارد.

۶- دستگاه حفاظتي در جلوگيري از تبديل خطاي ناپايدار به پايدار طبيعي در مدارهاي روستايي جاهايي که ۷۰% از کل مسافت مدار سيم لخت است. ۸۱% تأثير مي گذارد. همچنين در مدارهاي شهري و در حومه، جاهايي که ۱۶% از کل مدار سيم لخت است، ۵۷% تأثير گذار خواهد بود.
۷- آشکار کردن خطاهاي قوس الکتريکي که در سيم هاي روکش دار سرکت کافي اتفاق مي افتد به طور نظري ممکن است مانع از آسيب هاي پشت سر هم در هادي ها بشود. هر چند که بعضي از دستگاه ها حفاظتي در دستگاه مي توانند براي ترکيب زيادي از هادي هاي مختلف و خطاهاي جريان ، اين کار(آشکار کردن سريع قوس) را انجام بدهند.

 

ميزان خطاي گزارش شده براي علت هاي زيادةي از خطاها ، بر حسب تعداد خطاها در يک مدار ۱۰۰ مايلي در سال به صورت زير است:
۱- با و درختان ترکيبي از آن دو ۶
۲- ساعقه ۴/۲
۳- عيب تجهيزات و سيم کشي ۴/۱
۴- خطاي انساني ۲/۱
۵- علتهاي ديگر ۲

۶- علتهاي ناشناخته ۴/۳
۷- کل خطا در يک مدار ۱۰۰ پلي در سال ۴/۱۶
۸- داده ها نشان مي دهد که فاصله هادي ها تأثير محسوسي روي تعداد و خطا هاي ناشي از باد ، درختان و ساعقه دارد. در مواردي که باد و درختان به عنوان دليلي براي خطاي بايد گزارش شده بودند. در عملکرد فاصله هواي (هادی ها) در in 29 نسبت به in 20به ۱ سودمند خواهد بود. در حالي که عضو in 29 3 به ۲ مفيد خواهد بود.
۴- سوختن هادي

تأثير هاي هادي خطاي الکتريکي تابعي از اندازه هادي ست بدون توجه به اينکه پوشش داراست يا بدون پوشش (لخت)، و همچنين تابعي از دامنه جريان خطا و طول زماني است که جريان خطا جاري است. تجربه و شست هاي انجام شده نشان داده اند که بر عکس هادي هاي بودون پوشش (لخت) استفاده از هادي هاي پوشش دار احتمال سوختن هادي را افزايش مي دهد زيرا نيز قوس بين سو راخ يا لکه لخت روي پوشش و هادي مجاور، ايجاد شده وقتي به قوس توسط

پوشش محصور شده باشد مرکز گرما بين : لخت خواهد بود براي جلوگيري ساز سوختن محدود کردن آسيب روي هادي بايد اين قبيل قوسها سريعاً در مدار آشکار شوند در مدارهاي با سيم لخت معمولاً قوس به علت عمل (حرکت) طول مدار را به طرف منبع طي خواهد کرد . همچنين باد روي حرکت قوس در طول مدار تأثير خواهد داشت در بساري از خطاهاي ناشي از قوس الکتريکي ، حتي ممکن است قبل از سوختن هادي تمام قوس آشکار شود، متمرکز شدن حرارت روي ةيک نقطه ممکن است براي گرم کردن هادي کافي باشد و استقامت در قابل نيروي کششي را زياد کاهش

مي دهد بطوي که هادط از لحاظ مکانيکي نا اطمينان خواهد شد. در شبکه هاي توزيع شهري و حومه معمولاً با رنجي از اندازه هاي هادي و جريان هاي خطا مواجع مي شود . قوس توسط دستگاه هاي حفاظتي آشکار مي شود که سرعت قطع کنندگي آنها حداقل ۵/۲ سيکل يا کمتر

باشد.
که در آشکار کردن خطاهاي قوس تأثير خواهد گذاشت قبل از اينکه هادي ها بسوزند يا صدمه ببينند
جدول ۱ رنج هايي از جريان را براي دستگاه هاي حفاظتي مختلف ، که مي توانند هادي هاي حسی پوشش دار را حفاظت بکنند. نشان می دهد. اطلاعات جدول ۱ از منحنی های شکل ۱ تا ۵ گرفته شده است، که مشخصات سوختن و حد آسیب دیدگی چند نوع از هادی های مسی ، بر حسب مشخصات زمان و جریان چند نوع از دستگاه های حفاظتی، را نشان می دهد.

منحنی های شکل ۶و ۷ زمان مورد نیاز را برای عبور مقدار مؤثر جریان، زیاد شدن در به حرارت در هادی های آلومینیومی رشته ای یا AcsR تا مقداری که آسیب دیدگی های شدت می یابد، نشان می دهد. مقادیر نشان داده شده در این منحنی ها با این فرض حساب شده اند که تلفات حرارتی روی هادی ها وجود ندارد، بنابر این، حرارت وروردی به هادی بستگی به حرارت مخصوص مواد هادی دارد. در حدود اگر اتفاق بیفتد، هادی های آلومینیومی رشته ای کاملاً خراب می شوند.درجه حرارت هادی های AcsR ممکن است برسد به درجه حرارت نقطه ذوب آلومینیوم بدون اینکه هادی صدمه ای ببیند، چون خاصیت مکانیکی فولاد برای حفاظت هادی در این درجه حرارت

هنوز کافی خواهد بود.
دستگاههای حفاظتی
عمدتاً دو نوع از دستگاههای حفاظتی اضافه جریان در سیستم های تغذیه بکار برده می شود، یکی فیوز و دیگری مدار شکن است.
فیوز به عنوان یک دستگاه حفاظتی اضافه جریان تعریف می شود که یم عضو قابل ذوب و قطع کننده مدار دارد که مستقیماً حرارت گرفته و در اثر عبور بیش از حد جریان اضافی می سوزد.
یک فیوز مناسب فیوزی است که بتواند عنصر قابل ذوب خودش را باز کرده جرقعه ایجاد شده بر روی عضو بازار خاموش نموده و پس شرایط مدار۰ باز تحت ولتاژ نامی را تحمل کند.

مدار شکن برای عملکردهای سریع، به دستگاه حفاظتی اضافه جریانی گفته می شود که مواد را از طریق حرکت یک کنتاکت متحرک کاملاً باز می کند. و به وسیله این عمل (بازکردن مدار) مدار آسیب نمی بیند. تا وقتی که به دو سر آن مقدار ولتاژ نامی اعمال شود. مدار شکن باید قادر باشد در دو سر کنتاکت بازش قدس خاموش کن ایجاد کند و همچنین شرایط مدار باز را زمانی که به دو سر ترمینالهای آن ولتاژ نامی اعمال شده. نگه دارد.

جهت تند به متناوب مدار بعد از عملکرد فیوز، لازم است عضو ذوب شده جایگزین شود یا یک فیوز کامل دارای عضو ذوب شدنی و ابزار قطع کننده جایگزین شود. همچنین جهت تغذیه متناوب مدار بعد از عملکرد مدار شکن فقط لازم است که کنتاکت متحرک بسته بشود. این عمل یا به صورت دستی یا مکانیزم وصل اتوماتیک از راه دور صورت می گیرد.

۱- فیوز های جدا کننده توزیع
۲- این فیوز ها برای کاربرد در واتلژ های بالای ۶۰۰۷ طراحی شده اند که به کات اوت ها یا فیوز های قدرت دسته بندی می شوند. به طوری که در شکل ۸ نشان داده شده اند. کات اوت توزیع، غیوز یا دستگاه قطع کننده است که اجزاء آن شامل. محافظ فیوز نگهدارنده فیوز و حلقه فیوز (سیم نازک فلزی قابل ذوب در جریان های بالا) یا تیغه قطع کننده می باشد. به وسیله مشخصات زیر شناخته می شود:

۱- مقاومت ایستادگی دی الکتریک (عایق) در سطح توزیع
۲- برای کاربرد (حفاظت) اولیه روی مدارها و فیوزهای توزیع
۳- حد ولتاژ عملکرد مطابق با ولتاژ سیستم توزیع
۴- ساختار مکانیکی پایه ای تعدیل شده برای سوار کردن روی تیر یا بازوهای افقی کات اوت های توزیع با سیم های فیوز به دو گروه اصلی تقسیم بندی شده اند.