عدم قطع اتصال کوتاه فاز به بدنه در تابلوی دورافتاده کارگاه
یک کارخانه با ترانس اختصاصی ۶۳۰ کیلوولت‌آمپر (۲۰/۰.۴ کیلوولت، uk برابر ۴٪، اتصال Dyn11) تغذیه می‌شود. تابلوی کارگاه در ۱۸۰ متری تابلو اصلی با کابل ۴×۳۵ به‌همراه هادی حفاظتی ۱۶ میلی‌مترمربع مسی در سینی و کلید ۱۰۰ آمپری MCCB حرارتی-مغناطیسی با تنظیم مغناطیسی ۱۰ برابر تغذیه شده است. بار عادی کارگاه ۷۰ آمپر است. پس از راه‌اندازی، در آزمون اتصال فاز به بدنه در دورترین نقطه مدار، کلید ۱۰۰ آمپری عمل نکرد و کلید ۲۵۰ آمپری بالادست پس از چند ثانیه قطع شد. سیستم زمین TN-C-S است و تفکیک PEN در ترمینال زمین اصلی تابلو انجام شده است. مهندس ناظر باید هم علت را توضیح دهد و هم راه‌حل قابل اجرا با کمترین تغییر بدهد. کابل‌ها در سینی با چند مدار دیگر هم‌مسیر هستند.
1. امپدانس حلقه خطا و جریان خطا در انتهای مدار را محاسبه کنید و نشان دهید چرا زمان قطع برآورده نمی‌شود.
Read the worked answer
امپدانس ترانس: Zt = uk×U²/S = 0.04×400²/630000 ≈ ۰.۰۱۰۲ اهم؛ با تلفات مسی فرضی ۶.۵ کیلووات، R ≈ ۰.۰۰۲۶ و X ≈ ۰.۰۰۹۸ اهم.
کابل ۳۵ mm²: R در حدود ۰.۵۲۴ اهم بر کیلومتر ضربدر ۰.۱۸ و ضریب گرم شدن ۱.۲ ≈ ۰.۱۱۳ اهم؛ X ≈ ۰.۰۱۴۴ اهم.
هادی حفاظتی ۱۶ mm²: R ≈ ۱.۱۵×۰.۱۸ ≈ ۰.۲۰۷ اهم.
جمع: R ≈ ۰.۳۲۳ و X ≈ ۰.۰۲۴ → Zs ≈ ۰.۳۲۴ اهم → If = 230/0.324 ≈ ۷۱۰ آمپر.
تحلیل: ۷۱۰ آمپر حدود ۷.۱ برابر جریان نامی کلید ۱۰۰ آمپری است، در حالی که آستانه مغناطیسی روی ۱۰ برابر (و با تلورانس تا ۱۲ برابر) قرار دارد؛ پس قطع آنی رخ نمی‌دهد و عنصر حرارتی در این جریان چند ثانیه تا چند ده ثانیه طول می‌کشد. برای مدارهای توزیع، زمان قطع باید حداکثر ۵ ثانیه باشد و برای مدارهای نهایی تا ۳۲ آمپر ۰.۴ ثانیه؛ هیچ‌کدام برآورده نمی‌شود. اگر خطا به‌صورت قوسی و با امپدانس بیشتر رخ دهد، حتی ممکن است هیچ کلیدی عمل نکند و این خطر اصلی است.
2. راه‌حل‌های اصلاحی را با محاسبه مقایسه کنید و هماهنگی حفاظتی با کلید ۲۵۰ آمپری را نیز بررسی کنید.
Read the worked answer
گزینه ۱ – کاهش تنظیم مغناطیسی: اگر کلید ۱۰۰ آمپری امکان تنظیم ۵ تا ۱۰ برابر را داشته باشد، Im = ۵۰۰ آمپر و با تلورانس +۲۰٪ حدود ۶۰۰ آمپر می‌شود که از ۷۱۰ آمپر کمتر است؛ قطع آنی در کمتر از ۰.۱ ثانیه انجام می‌شود. ارزان‌ترین راه است و اگر کلید قابل تنظیم باشد اولویت اول است.
گزینه ۲ – افزایش هادی حفاظتی به ۳۵ mm²: R PE = 0.524×0.18 ≈ ۰.۰۹۴ اهم → Zs ≈ ۰.۲۱ اهم → If ≈ ۱۰۹۵ آمپر، یعنی حدود ۱۱ برابر نامی، و قطع آنی انجام می‌شود.
گزینه ۳ – RCD تأخیری ۳۰۰ میلی‌آمپر در تابلوی فرعی: زمان قطع زیر ۰.۵ ثانیه و مستقل از امپدانس؛ برای سیستم TN نیز به‌عنوان روش حفاظتی قابل پذیرش است و در عمل سریع‌ترین راه بدون تغییر کابل است.
هماهنگی: کلید بالادست ۲۵۰ آمپری با Im = ۲۵۰۰ آمپر در خطای چند کیلوآمپری همزمان با کلید فرعی قطع می‌شود و انتخاب‌پذیری از بین می‌رود. راه‌حل: کلید بالادست با تنظیم تأخیر کوتاه (۰.۱ تا ۰.۲ ثانیه) و تنظیم I²t، یا افزایش آستانه مغناطیسی آن، به‌شرط آنکه تحمل حرارتی کابل بالادست (k²S²) تأمین شود.
3. آیا انتخاب سیستم زمین TN-C-S برای این کارگاه مناسب است و در مورد تفکیک PEN و ولتاژ تماس چه ملاحظه‌ای وجود دارد؟
Read the worked answer
وجود ترانس اختصاصی، TN-C-S را ممکن و از نظر اقتصادی مناسب می‌کند: از نقطه ستاره ترانس تا ترمینال زمین اصلی، هادی PEN و از آنجا به بعد PE و N جدا می‌شوند و دیگر نباید در هیچ نقطه‌ای دوباره به هم وصل شوند؛ اتصال مجدد PEN در تابلوی کارگاه مسیرهای موازی نول و جریان سرگردان می‌سازد و حفاظت RCD را بی‌اثر می‌کند.
مسئله مهم‌تر ولتاژ تماس است: در همان خطای ۷۱۰ آمپری، افت روی هادی حفاظتی ۱۶ mm² برابر ۷۱۰×۰.۲۰۷ ≈ ۱۴۷ ولت است؛ یعنی در لحظه خطا بدنه تابلوی کارگاه تا حدود ۱۴۷ ولت نسبت به زمین بالا می‌رود و مدت آن با عملکرد کند کلید طولانی می‌شود. این به‌تنهایی نشان می‌دهد اصلاح هادی حفاظتی یا نصب RCD اجباری است، نه اختیاری.
هم‌بندی هم‌پتانسیل اصلی در تابلوی کارگاه (سازه فلزی، سینی کابل، لوله‌های آب و گاز، شینه زمین) باید بازبینی شود و الکترود زمین ساختمان به آن متصل باشد. اگر بخش دورافتاده‌ای با شرایط خاص وجود دارد، استفاده از TT محلی همراه با RCD نیز گزینه‌ای قابل دفاع است، اما نباید به‌صورت ناخواسته ترکیبی از TN و TT بدون مستندسازی ایجاد شود.