روش های حفاظت در برابر اضافه جریان

به هر جریانی که فراتر از جریان نامی هادی ها، تجهیزات و دستگاه های الکتریکی رود، اضافه جریان (Over Current) گویند. تجهیزات حفاظت در برابر اضافه جریان به منظور حفاظت هادی ها در مقابل جریان های اضافه و رله های اضافه بار حرارتی به منظور حفاظت تجهیزاتی مانند تجهیزات موتوری استفاده می شوند. این قطعات حفاظتی جهت جریان در مدار را در یک سطح مطمئن نگه می دارند و به این ترتیب باعث می شوند از ایجاد اضافه حرارت در مدار جلوگیری شود.

برای حفاظت اضافه جریان در شرایط اتصال کوتاه معمولاً از رله هایی استفاده می شود که بر اساس ظرفیت حرارتی واحد مورد حفاظت در زمان معین و کوتاه عمل کند. استفاده از وسایل حفاظتی که به منظور حفاظت اضافه بار طراحی شده اند، جهت تأمین ایمنی در شرایط اتصال زمین فقط زمانی مجاز است که جریانی که قرار است در مدار جاری شود حداقل سه برابر ظرفیت نامی فیوز محافظ مدار یا حداقل ۱/۵ برابر ظرفیت نامی کلید خودکار محافظ مدار (به طور مثال کلید مینیاتوری) باشد.

حفاظت الکتریکی در حالات مختلف

منظور از حفاظت الکتریکی عبارت است از اقداماتی که باید در تأسیسات الکتریکی به عمل آورد تا اینکه خطرات ناشی از جریان برق باعث صدمه زدن به اشخاص، حیوانات، دستگاه ها، مولدها، مصرف کننده ها و سیم های حامل جریان نگردد.

۱- حفاظت سیم ها و کابل ها

تمامی سیم های و کابل ها باید در مقابل اضافه بار و اتصال کوتاه محافظت شوند برای حفاظت سیم در برابر اضافه بار می توان از کلیدهای حرارتی (بی متال) و یا فیوزهای ذوب شونده استفاده نمود.

۲- حفاظت مصرف کننده ها و دستگاه ها الکتریکی

مصرف کننده ها و دستگاه های الکتریکی باید در مقابل خطاهای احتمالی از قبیل اتصال کوتاه و اضافه بار محافظت شوند جهت حفاظت این دستگاه ها معمولاً قبل از مصرف کننده یا دستگاه مورد نظر از فیوزهای ذوب شونده و کلیدهای مغناطیسی یا حرارتی که مطابق با جریان نامی آن دستگاه انتخاب شده استفاده می شود.

۳- حفاظت اشخاص 

یکی از مهمترین نکاتی که باید در قسمت حفاظت الکتریکی به آن توجه نمود مسئله برق گرفتگی انسان است.

هر اضافه جریان احتمالی که در قسمت های برق دار ایجاد شود، نباید موجب خسارت یا صدمه به اشخاص یا دستگاه ها و وسایل شود. بنابراین حفاظت در برابر اضافه جریان ضروری است و به یکی از روش های زیر صورت می گیرد:

• از طریق قطع خودکار تغذیه هنگام بروز اضافه جریان قبل از رسیدن اضافه جریان به میزان خطرناک (با توجه به مدت زمان برقراری اضافه جریان)
• ایجاد محدودیت برای حداکثر اضافه جریان به میزان بی خطر (با توجه به مدت زمان برقراری اضافه جریان)

انواع خطاهای ناشی از جریان برق

خطاهای ناشی از جریان برق را عمدتا به ۳ دسته می توان تقسیم نمود:

۱- اتصالات بدنه که عبارت است از اتصال یکی از سیم های جریان برق به بدنه دستگاه.

۲- اتصال کوتاه که عبارت است از اتصال ۲ سیم لخت که نسبت به هم دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی می باشند به یکدیگر.

۳- اتصال زمین که عبارت است از اتصال یکی از سیم های حامل جریان به زمین.

خطاهای گفته شده در بالا معمولاً به دو صورت کامل و ناقص می تواند اتفاق بیافتد اگر چنان چه اتصال کامل باشد به این معنی است که در محل اتصالی مقاومت وجود ندارد و جریان زیاد از این نقطه عبور می کند. اما اگر اتصال ناقص باشد در محل اتصالی مقاومتی وجود دارد بنابراین جریان خط نسبت به حالت قبل کمتر است. این نوع اتصالی اغلب خطرناک است زیرا به راحتی قابل تشخیص نیست در هر مورد از خطاهای گفته شده باید سیستم حفاظتی خاصی به کار برد.

اغلب برق گرفتگی در مواقعی که پوشش سیم های برق پاره شده و یا معیوب بوده و یا شکافی در آن ایجاد شده باشد اتفاق می افتد. همچنین، ممکن است پوشش سیم های داخلی موتورها با دستگاه های الکتریکی سائیده یا سوخته شود و در اثر تماس با بدنه دستگاه خطراتی ایجاد کند. این مورد بیشتر در موتورهای الکتریکی یا دستگاه هایی که متحرک باشند پیش می آید.

اگر شدت جریان عبوری از بدن ۳۰ میلی آمپر تجاوز کند در هنگام عبور جریان الکتریکی از بدن خطرناک خواهد بود. مقاومت بدن فرد در مقابل عبور جریان الکتریکی متفاوت است و از ۵۰۰ تا ۵۰۰۰ اهم و بیشتر است.

این اختلاف مقاومت به طبیعت فرد و شرایط محیطی که در آن قرار گرفته بستگی دارد. به طور مثال اگر پوست فرد خشک باشد مقاومت بدنش در مقابل عبور جریان الکتریکی بیشتر از زمانی است که پوست وی مرطوب است. در شرایط نامناسب و در مواردی که تدابیر حفاظتی کامل اتخاذ نشده باشد، یک اختلاف پتانسیل ۱۵ تا ۲۰ ولت ممکن است برای شخص خطرناک باشد ، البته مدت عبور و نوع جریان الکتریکی نیز در شدت برق گرفتگی دخالت دارد.

اگر در دستگاه هایی که با فشار ضعیف (۲۴ ولت) کار می کنند اتصال بدنه به وجود آید ممکن است به افرادی که به جریان الکتریکی حساسیت دارند، آسیب برساند. زیرا اگر مقاومت بدن فرد در حدود ۵۰۰ اهم باشد جریانی معادل ۰/۰۴۸ آمپر از بدن عبور کرده و چون میزان آن از حد ۰/۰۳۰ آمپر بیشتر است خطرناک است.

حفاظت در برابر اتصال کوتاه

با اتصال کوتاه دو هادی غیر عایق به یکدیگر، اتصال کوتاه رخ می دهد. در این حالت مقاومت نزدیک به صفر می شود. این جریان چندین برابر جریان کاری عادی است. جریان ایجاد شده هنگام بروز اتصال کوتاه باید بلافاصله قطع شود. به طور کلی جریان اتصال کوتاه در یک مدار معیوب در اثر اتصال یک یا چند هادی از مدار که در حالت عادی دارای اختلاف پتانسیل مختلف هستند، از طریق امپدانس بسیار کم به هادی های دیگر بروز می کند. در ضمن جریان اتصال کوتاه معمولاً از ارت عبور می کند. بنابراین باید حتماً به طراحی صحیح هادی حفاظتی PE (ارت) دقت نمود. هادی های هم بندی و هادی های ارت و دیگر قطعاتی که به منظور هدایت جریان اتصالی پیش بینی شده اند باید جریان را بدون ایجاد دمای زیاد هدایت کنند.

 استفاده از رله مغناطیسی جهت حفاظت در برابر اضافه جریان در هنگام اتصال کوتاه

جهت قطع سریع جریان هنگام بروز اتصال کوتاه از رله مغناطیسی و تجهیزاتی که در ساختار خود دارای رله مغناطیسی هستند استفاده می شود. رله های مغناطیسی از یک هسته آهنی به همراه سم پیچی به دور آن تشکیل شده است، که این سیم پیچ ها سر راه فاز قرار می گیرند.

عبور جریان اتصال کوتاه از سیم پیچ ها باعث ایجاد میدان مغناطیسی شدیدی می شود که حرکت هسته آهنی و در نهایت حرکت اهرم قطع را به دنبال دارد. تیغه قطع نیز در مدار مانند شستی STOP عمل می کند. رله های مغناطیسی به همراه رله های حرارتی در کلیدهای مینیاتوری، کلیدهای اتوماتیک و … وجود دارند.

تفاوت اضافه بار و اضافه جریان

هنگامی که تعداد وسایلی که در یک مدار کار می کنند زیاد شود و یا یک دستگاه بالاتر از میزان طراحی شده، جریان بکشد اصطلاحاً اضافه بار ایجاد شده است. به طور مثال یک موتور که در شرایط عادی ۱۰ آمپر جریان مصرف می کند، در شرایط اضافه بار ۲۰ تا ۳۰ آمپر جریان بکشد. این جریان باعث داغ شدن موتور می شود و در صورتی که رله اضافه بار باعث قطع مدار نشود، موتور در کوتاه مدت آسیب دچار آسیب می شود.

جریان اضافه بار در یک مدار سالم ممکن است به دلایلی مانند اشتباه در محاسبه و انتخاب نادرست تجهیزات مدار در طراحی و اجرا، رشد بار با گذشت زمان، اشکال در دستگاه (به طور مثال افزایش اصطکاک در یاتاقان ها) و … ایجاد شود. اما اضافه جریان ناشی از خطای دستگاه و یا اتصالی سیم با بدنه یا اتصال کوتاه یا اتصال به زمین است.

تجهیزات الکتریکی برای حفاظت در برابر اضافه جریان

کلید مینیاتوری مناسب حفاظت در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار

کلید مینیاتوری یا کلید اتوماتیک مینیاتوری در اصل نوعی کلید خودکار است که هر دو مشخصه قطع کنندگی زیر بار و مجزا کنندگی را دارد و وظیفۀ آن قطع مدار در زمان اتصال کوتاه یا اضافه بار است. کلید مینیاتوری از سه قسمت رله مغناطیسی برای حفاظت اتصال کوتاه، رلۀ حرارتی یا رلۀ بی متال برای حفاظت اضافه بار و مجزا کننده تشکیل شده است. این کلید از دو قسمت مغناطیسی (جریان زیاد در مدت زمان کم) و حرارتی (افزایش تدریجی جریان) تشکیل شده است.

کلید حرارتی یا بی متال برای حفاظت در برابر اضافه جریان

یکی دیگر از قطعاتی که تجهیزاتی مانند موتور را در برابر اضافه بار محافظت می کند رله بی متال است. ساختار کلید بی متال متشکل از دو فلز با ضریب انبساط طولی متفاوت است که با عبور جریان و افزایش انبساط طولی یکی بیشتر از دیگری است و دو فلز خم شده و در نتیجه این حرکت به اهرم قطع منتقل می شود و مدار را قطع می کند.

کلید محافظ موتور و حفاظت اتصال کوتاه و اضافه بار

این کلید از جمله قطعاتی است که موتور را در مقابل اتصال کوتاه و اضافه بار محافظت می کند. در صورت افزایش جریان به بیشتر از میزان تنظیم شده، رله حرارتی عمل نموده و مدار را قطع می کند که این عمل سریع و در مدت زمان کوتاه صورت می گیرد.

تشخیص جریان نشتی با رله ارت فالت (رله نشتی جریان)

رله ارت فالت به منظور آشکارسازی و فرمان قطع مدار در صورت بروز خطای اتصال زمین یا جریان نشتی به کار می رود. این رله به وسیله ترانس حلقوی کوربالانس جریان باقی مانده بیش از حد مجاز را تشخیص داده و در این حالت خروجی رله فعال می شود. رله شنت یا رله آندر ولتاژ، کنتاکتور یا کلید اتوماتیک در مسیر رله قرار می گیرند تا در صورت بروز خطا، مدار تغذیه را قطع کند.

رله ارت فالت همراه ترانس جریان یا CT کوربالانس به صورت مکمل یکدیگر به کار می روند و جریان نشتی را تشخیص می دهند. با تشخیص نشتی جریان، رله ارت فالت عمل می کند و به کنتاکتور یا کلید اتوماتیک فرمان قطع می دهد.