محاسبه امپدانس حلقه اتصال کوتاه (Zs) و شدت جریان اتصال کوتاه (Ia)

6P4-2 – محاسبه امپدانس حلقه اتصال کوتاه (Zs) و شدت جریان اتصال کوتاه (Ia)

6P4-2-0- پیشگفتار

    کمتر کسی از مهندسان برق کشور به انجام محاسبات اتصال کوتاه اعتقاد دارد وارد شدن به چون و چرای این مسئله ما را از بحث اصلی منحرف خواهد کرد فقط یاد آوری می شود که “جبر پیشرفت” ما را مجبور خواهد کرد در آینده ای نزدیک محاسبات اتصال کوتاه هم انجام دهیم (اگر تا حالا انجام نداده باشیم). این موضوع مخصوصاً برای شاخه مورد نظر ما که محاسبه حداقل شدت جریانهای اتصال کوتاه است و بستگی مستقیم به برقگرفتگی دارد بسیار مهم است. محاسبات اتصال کوتاه امروزه با کمک مولفه های متقارن (symmetrical components) و مقاومتهاو امپدانسها و اجزای دیگر هم با استفاده از روشهای معمول در اینگونه محاسبات که “بر حسب واحد”یا “برحسب درصد”(perunit –percent) است، انجام می شود. در مورد شبکه های بزرگ این روشها نعمتی است که بدون آن کارها به سختی انجام می شد ولی در مورد کارهایی  که مورد نظر ما است یعنی تاسیسات، اینها بیش از حد مفصل و دست و پا گیر است. بنابراین در محاسبات خود از روشهای ساده استفاده خواهیم کرد.

محاسبات اتصال کوتاه بر خلاف تصور برخی اصلاً مشکل نیست و فقط احتیاج به دقت دارد که به دلیل کارکردن با اعداد کوچک و نا آشنا ممکن است سبب بروز اشتباه شود که با آن هم با تمرین و تجربه، رفع خواهد شد.

همچنین برای آن دسته از خوانندگان که به طور کلی با پدیده اتصال کوتاه آشنایی ندارند، مختصری از مبانی ذکر خواهد شد.

6P4-2-1- هدف

     در تاسیسات فشار ضعیف، شدت جریانهای اتصال کوتاه با دوهدف محاسبه می شود.(بند 6P4-1-1 را هم ببینید.)

(1)IK max – حداکثر جریان اتصال کوتاه تجهیزات الکتریکی باید برای بدترین شرایط که مصادف است با عبور شدیدترین جریان از مدار کنترل شود تا توانایی مقاومت آنها در برابر این جریانها بررسی شود. کلیدها، کابلها، شینه ها، فیوزها و در اصل همه تجهیزات باید از این نطر کنترل شوند.

(2)IK min حداقل جریان اتصال کوتاه وسایل حفاظتی باید برای اطمینان از اینکه در بدترین شرایط که در این حالت مصادف است با عبور ضعیفترین جریان اتصال کوتاه بین یک فاز و هادی حفاظتی/ خنثا (PEN) یا حفاظتی (PE ) یا بدنه هادی به موقع عمل خواهد کرد کنترل شوند. بسته به نوع مدار، وسایل حفاظتی باید مدار را حداکثر ظرف 4، 0 ثانیه یا 5 ثانیه قطع کنند.

نظر یه اینکه در اینجا هدف بررسی شرایط تامین ایمنی در برابر برقگرفتگی است، درباره IK max بحثی نخواهد شد، و به طور خلاصه وقت خود را صرف بررسی این خواهیم کرد که آیا IKmin یعنی ضعیفترین جریانی که ممکن است از مدار عبور کند، خواهد توانست وسیله حفاظتی را در زمانهای مورد نظر قطع کند یا نه.

در همه سیستمهای TN بدنه های هادی لوازم الکتریکی از طریق هادیهای حفاظتی (PE) . و یا حفاظتی/خنثا (PEN) به نقطه خنثای منبع نیرو (N یا O) وصل است. اگر به هر دلیل یکی از فازها با بدنه هادی با هادی حفاظتی یا هادی حفاظتی/خنثا اتصال کوتاه شودف جریانی که به آن جریان اتصال کوتاه (Ia) می گویند در مدار جاری می شود. Ia باید بزرگتر از Ip  یا In0k باشد تا مدار در ظرف مجاز(4،  0 ثانیه یا 5 ثانیه) قطع کند. در بند 6P41-1 و شکل 6P4-1 راجع به این مطالب صحبت شده است. اینک اجزای شبکه شکل 6P41 را به ترتیب زیر مشخص می کنیم:

  • RT و XT– مقاومت و راکتانس تراسفورماتور به اهم؛
  • RLI و XL1 – مقاومت و راکتانس هادی فاز خط A-B به اهم ؛
  • RPENI و XPENI– مقاومت و راکتانس هادی حفاظتی/ خنثای خط A-B به اهم؛
  • R12 و X12 – مقاومت و راکتانس هادی فاز خط B-C به اهم؛
  • RPEN2 وxpen2 – مقاومت و راکتانس هادی حفاظتی/ خنثای خط B-C به اهم؛
  • RL3 و X13 مقاومت و راکتانس هادی فاز C-D به اهم؛
  • RPEN3 و XPEN3 مقاومت و راکتانس هادی حفاظتی/خنثای خط C-D به اهم.

و مقاومت Rs و Xs  کل عبارت است از:

Rs=SR=RT+RL1+RL2+RL3+RPEN1+RPEN2+RPEN3                                    

Xs= SX=XT+XL1+XL2+XL3+XPEN1+XPEN2+XPEN3                                  

و امپدانس کل برابر خواهد با:

Zs =

و شدت جریان اتصال کوتاه خواهد بود:

Ia=

که باید در رابطه زیر صدق کند:

Ia K.In

6P4-2-2- امپدانس اجزای شبکه

6P4-2-2-1- مبانی اولیه- “بدترین شرایط” برای محاسبه اتصال کوتاه

    در اصل همه محاسبات فنی برای “بدترین شرایط” انجام می شوند. اگر نتیجه برای “بدترین شرایط” قابل قبول باشد،مسلماً برای شرایط بهتر نیز قابل قبول خواهد بود.ت

تا جایی که به محاسبات اتصال کوتاه مربوط می شود، “بدترین شرایط” برای هر دو حالت حداکثر و حداقل جریان اتصال کوتاه (6P4-2-2)، تفاوت دارند. در حالی که بنا نیست در اینجا راجع به جریان حداکثر اتصال کوتاه صحبت شود، از نظر مقایسه با شرایط محاسبه حداقل اتصال کوتاه، درباره هر دوی آنها صحبت خواهد شد.

ترانسفو رماتورها- در محاسبه حداکثر جریان اتصال کوتاه

  فرض بر این است که تراسفورماتور در حداکثر ولتاژ است یعنی هم فشار قوی و هم فشار ضعیف در بالاترین مقدار می باشند. این وضعیتی است که در کم باری شبکه اتفاق می افتد که مصادف است با ساعتهای اول بعد از نیمه شب. به این علت ولتاژها را در این محاسبه10% بیشتر انتخاب می کنند.(1.1 =C (

-در محاسبه حداقل جریان اتصال کوتاه

فرض بر این است که برعکس حالت بالا، اتصال کوتاه در هنگامی اتفاق می افتد که حداکثر رگولاسیون تراسفورماتور برقرار است و در نتیجه در خروجی فشار ضعیف پایینترین ولتاژ وجود دارد. به این علت ولتاژها را در این مورد 5% کمتر انتخاب می کنند. (95.=C)

خطوط

مقاومت اهمی خطوط توزیع و تغذیه نیرو، یکی از عوامل مهمی است که بر امپدانس کل مدار اتصال کوتاه تاثیر می گذارد بنابراین دمای هادی (در اثر دمای محیط از یکسو و جریان بار از سوی دیگر) اهمیت فراوان در تعیین مقدار مقاومت دارد بنابراین:

-در محاسبه حداکثر جریان اتصال کوتاه

فرض بر این است که خطوط در 20 درجه سلسیوس قرار دارند و مانند ترانسفورماتور این وضع در زمان کم باری اتفاق می افتد که مصادف است با ساعات اول بعد از نیمه شب.

-در محاسبه حداقل جریان اتصال کوتاه

فرض بر این است که مانند ترانسفورماتور، اتصال کوتاه در پر بارترین ساعات اتفاق می افتد. در این حالت دمای هادی را برابر حداکثر دمای مجاز کابل یا هادی انتخاب می کنند (برای عایق PVC اغلب حداکثر مجاز را 90 درجه سلسیوس می گیرند.)

لحظه وقوع

  لحظه وقوع اتصال کوتاه یکی از مهمترین عوامل در بروز پدیده اتصال کوتاه است که درباره          آن کمتر صحبت می شود لذا به نظر می رسد به جا باشد در این مورد بحث کوتاهی انجام شود:

در لحظه وقوع اتصال کوتاه دو اتفاق بسیار مهم در شبکه اتفاق می افتد:

(1)امپدانس شبکه ناگهان از امپدانس بار تبدیل به امپدانس خطوط تغذیه در مسیر وقوع اتصال کوتاه می شود که بسیار کمتر از امپدانس بار است و به این علت شدت جریان در شبکه ناگهان زیاد می شود.

اما اضافه بر این اتفاق مهم دیگری هم می افتد که به آن توجه لازم نمی شود:

(2)ضریب توان شبکه که قبل از وقوع اتصال کوتاه قاعدتاً باید بین 8،0 تا 9، 0 باشد، ناگهان تغییر می کند و با توجه به مشخصه های خطوط، حدود2،0 تا3،0 تغییر می کند و در این میان، لحظه وقوع اتصال کوتاه بسیار مهم است که با کدام یک از لحظات موج ولتاژ مطابقت می کند. با توجه به اینکه ضریب توان شبکه به مقداری قابل ملاحظه تغییر می کند،موج جریان نمی تواند دفعتاً با وضعیت جدید خود تطبیق کند لذا تا حدی رشد می کند  که زاویه آن با وضعیت جدید تطبیق کند.مولفه “جریان مستقیم” که در پدیده اتصال کوتاه بسیار مورد توجه است از اینجا ناشی می شود. گفته شد که لحظه وقوع اتصال کوتاه مهم است و لحظه ای است که ممکن است به نحوی باشد که یا اصلاً مولفه جریان مستقیم تولید نشود یا مقدار این مولفه در حداکثر ممکن باشد. بنابراین:

-در محاسبه حداکثر جریان اتصال کوتاه

فرض می کنند لحظه وقوع اتصال کوتاه با حداکثر مولفه جریان مسنقیم مطابقت دارد.

-در محاسبه حداقل جریان اتصال کوتاه

فرض می کنند لحظه وقوع اتصال کوتاه با حداقل مولفه جریان مستقیم مطابقت دارد.

یعنی اصلاً مولفه جریان مستقیم وجود ندارد.

در شکل 6P4-7 موج جریان اتصال کوتاه برای موقعیتهای مختلف نشان داده شده است.

اینک نحوه انتخاب و محاسبه امپدانس اجزای تشکیل دهنده شبکه را مرور خواهیم کرد.