فصل سوم _ سیر تکاملی سیستمهای الکتریکی

فصل سوم

سیر تکاملی سیستمهای الکتریکی

300- پیشگفتار

فردی که تازه پا به میدان مهندسی توزیع و مخصوصا تاسیسات برق می گذارد، با سوالاتی روبرو می شود که در دوران تحصیل، بدان توجه زیادی نمی شود و یا به طور گذرا بر خورد می شود.

چرا بدنه های هادی تجهیزات الکتریکی را زمین می کنیم؟ اصلا زمین کردن یعنی چه؟ چرا بدنه های تجهیزات را عمداً به برق وصل می کنیم؟ حتی اگر این برق سیم خنثا یا نول باشد. و دهها سوال دیگر از این قبیل ممکن است یک تازه وارد را به فکر وادارد.

نباید تصور شود که بروز این سوالات ناشی از وجود نقص در نظام آموزشی است. به هیچ وجه این طور نیست. دوران تحصیل به قدر کافی پر از فراگرفتتنیهای عمومی است و مسائل بالا، مسایلی اختصاصی هستند که باید اضافه بر برنامه های عادی فراگرفته شوند.

برای درک این که چگونه به اینجا رسیده ایم، لازم است مروری گذرا بر نحوه رشد و تکامل سیستمها داشته باشیم. هر چند این مرور به طور یقین بر پایه های تاریخی محکمیاستوار نخواهد بود ولی هدف ما در این جا تحقیق دقیق تاریخی نیست بلکه مروری استبرچگونگی سیر تحولاتی که منجر به پیدایش سیستمهای توزیع جدید شده است. یادآور می شود در تحولاتی که به پیدایش این سیستمها انجامید، ایمنی عامل اصلی حاکم بر اینتحولات بوده است.

31- ظهور سیستمهای توزیع و تاسیسات برق

310- مقدمه

اتصال به زمین از دو نظر مهم است:

  1. حفظ سلامت خود سیستم، صرفنظر از خواستهای مربوط به ایمنی
  2. حفظ سلامت و ایمنی افرادی که از سیستم برق استفاده می کنند.

حفظ ایمنی مهمترین وجه بحث ما خواهد بود ولی اشاره ای مختصر به مهمترین علت وصل یک نقطه از سیستم به زمین برای تامین خواسته سیستم و حفظ سلامتی آن (و ایمنی افراد) ، به جا خواهد بود.

311- مختصری درباره اتصال زمین سیستم

اتصال به زمین از نظر کار صحیح و سالم سیستم، دو هدف را دنبال می کند:

  • ایجاد شرایطی که در آن سیستم از نظر فنی درست عمل کند.

این هدف با بر قراری مسیری از طریق زمین به منبع تغذیه و کشف اتصال به زمین با استفاده از رله های حساس به دست می آید.

2- ایجاد شرایطی که در آن عایقبندی سیستم سالم می ماند و این مسئله که درباره آن کمی صحبت خواهد شد. در ساده ترین تحلیل ممکن، یک سیستم از رسانه ها و عایقها تشکیل می شود رساناها باید تا جایی که ممکن است عبور جریان برق را تسهیل کنند و عایقها هم درست برعکس تا حدی که ممکن است جلوی عبور جریان برق از مسیرهای نخواسته را بگیرند.یعنی عبور جریان برق باید در مسیری دلخواه برقرار شود و در سایر جهات جلوی آن گرفته شود. از بین این دو، عایقها حساستر از هادیها می باشند و علاوه بر دمای زیاد که به خودی خود سبب انهدام عایق می شود، بالا رفتن پیش از حد ولتاژ و اثر آن به مدتی طولانی، مخصوصاً در دمای بالا، عایق را زودتر از بین برده و سبب بروز خرابی در سیستم می شود.

به طور خلاصه اگر در تحلیل اولیه اثر دما را به حساب نیاوریم، عمر عایقبندی بستگی به شدت میدان و مدت زمان بر قراری آن دارد. اگر شدت میدان کمی از مقدار مجاز آن بیشتر باشد. ممکن است پس از چند سال سبب خرابی عایقبندی شود و اگر این مقدار چند برابر مقدار مجاز باشد، در ظرف چند دقیقه یا ثانیه سبب از بین رفتن عایقبندی در ضعیف ترین نقطه سیستم گردد. بنابراین انتخاب مقدار اسمی یک عایق یا مقدار “مجاز” آن از نظر دوام نسبت به مقدار ولتاژ و مدت زمان بر قراری، بستگی به داده های آماری و انتخاب صحیح آن دارد. در هر شکل 311-1 منحنی تغیرات ایستادگی عایقبندی یک کابل با توجه به تنش میدان الکتریکی و مدت زمان بر قراری آن به عنوان مثالی نوعی ، نشان داده شده است. بدیهی است در اینجا مطالعه دقیق برای تعیین شدت مجاز میدان و عمر عایقها هدف نمی باشد و تنها نشان دادن علل بروز خرابی در عایقها و سعی در محدود کردن شدت میدان در آنها منظور نظر ما خواهد بود. دیده می شود که تغییرات شدت میدان نسبت به زمان به نحوی است که شدت میدان یا خطی افقی مجانب می باشد و این مقداری است که در مدتی طولانی، عایقبندی در آن شدت میدان منهدم نخواهد شد. یاد آوری می کند که اثر گرما در این منحنی منظور نشده است و کافی است گفته شود که در دماهای مختلف، جای خط مجانب تغییر خواهد کرد و عامل جدیدی را وارد بحث می کند.

در هر حال آزمایش نهایی برای نوع و ضخامت عایقبندی تجهیزات که با توجه به قراین بدست آمده از منحنیهایی شبیه آنچه که در شکل 311-1 نشان داده شده است انتخاب می شوند، استفاده از تجهیزات در طول زمان دراز است. دوام در طول زمان، محک اصلی کارآیی عایقبندی سیستم است. زیرا در حال حاضر پایه علمی محکمی برای طبقه بندی عایقها از این نظر وجود ندارند.

تا اینجا با اثر شدت میدانی که عایقبندی تحت تنش آن قرار می گیرد آشنایی حاصل شده و علل لزوم محدود کردن تنش این میدان در عایقبندی ، نشان داده شده است. اما در مورد روشهای عملی محدود کردن شدت میدان، در بندها و بخشهای بعدی صحبت خواهد شد.

312- تغییرات ولتاژ در سیستمی که به زمین وصل نیست

حال ببینیم در حالت واقعی، ولتاژها چگونه اثر می کنند. در شکل 321-1 دیده می شود که در صورت وصل نبودن یک نقطه از سیستم به زمین، وضعیت ولتاژها به این شرح خواهد بود.(1) ,(2), (3)

ولتاژ نقطه خنثا (N) نسبت به زمین در هنگامی که سیستم سالم است. به علت وجودخازنهای طبیعی بین فازهای سیستم و زمین، برابر صفر است و در این هنگام ولتاژهایموجود هیچ تنش اضافی را بر روی عایقبندی هادی خنثا و هادیهای فازها در سرتاسرسیستم، بوجود نخواهند آورد.

 اما اگر به سبب بروز سانحه ای در سیستم، یکی از فازها (L1)  به زمین وصل شود، وضعیت ولتاژهای سیستم به قرار زیر خواهد بود (4) , (5) :

ولتاژ نقطه خنثا (N) نسبت به زمین در سیستمی که یک فاز ان به زمین وصل شده است دیگر برابر صفر نبوده بلکه برابر U0 می شود. در این هنگام ولتاژهای موجود تنشی را برروی عایقبندی هادی خنثا و هادیهای فازها در سرتاسر سیستم بوجود خواهند آورد.

ممکن است چنین به نظر آید اختلاف ولتاژ قابل توجه نمی باشد. اما چنین نیست و همین مقدار ولتاژ ممکن است در زمانی طولانی عایقی را که برای آن پیش بینی نشده است از بین برد.

مسئله دیگری هم وجود دارد:

قبل از اینکه عایقبندی در اثر بالا رفتن ولتاژها خراب شود، ممکن است پدیده دیگری ظاهر شود که خطر آن اگر بیشتر از خرابی عایقبندی نباشد ( که معمولا تا بروز آن، مدتی طول می کشد) کمتر از آن نخواهد بود و آن، زدن جرقه بین نقاطی از سیستم است که ولتاژ آنها نسبت به هم بیشتر از دوام عایق آنها می باشد. مانند جرقه ای بین نقطه خنثا و قسمتهای زمین شده که اختلاف پتانسیل آنها قبل از سانحه صفر بود و پس از آن تبدیل به ولت  می شود و فازهای سالم نسبت به زمین که قبل از سانحه ولت   بود اینک تبدیل به ولت u=400  می شود.

البته می توان لوازمی را طرح کرد که به مدتی طولانی در شرایط سانحه دیده (وصل بودن یک فاز به زمین) کار کرده و عایقبندی خود را حفظ کنند اما به طور قطع عایقبندی آنها نسبت به دستگاههایی که یک نقطه از آنها (N) به زمین وصل است سنگین تر و گرانتر خواهد بود. به این دلیل و دلایل مهم دیگر از سیستمهای بدون اتصال به زمین (سیستم IT) فقط در موارد مخصوص استفاده می شود و در شبکه های عمومی کاربرد ندارند و بلکه استفاده از آنها در شبکه های عمومی ممنوع است.