تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار ضعیف و فشار متوسط

فهرست مطالب:

1. مقدمه
2. تعریف اتصال کوتاه و اهمیت آن در شبکه‌های برق
3. انواع اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار ضعیف و فشار متوسط
4. مکانیزم فیزیکی وقوع اتصال کوتاه
5. علل اصلی بروز اتصال کوتاه در شبکه‌های توزیع
6. پیامدهای فنی، ایمنی و اقتصادی اتصال کوتاه
7. پارامترهای مؤثر در محاسبه جریان اتصال کوتاه
8. مبانی تئوریک تحلیل اتصال کوتاه
9. روش‌های محاسبه جریان اتصال کوتاه
10. تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشارضعیف
11. تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار متوسط
12. نقش سیستم زمین در جریان اتصال کوتاه
13. تجهیزات حفاظتی و نقش آن‌ها در مهار اتصال کوتاه
14. هماهنگی حفاظتی و انتخاب صحیح تجهیزات
15. نقش نرم‌افزارهای تخصصی در تحلیل اتصال کوتاه
16. تولیدکنندگان معتبر تجهیزات حفاظتی
17. جمع‌بندی نهایی
18. پرسش و پاسخ جامع تخصصی

1. مقدمه:

تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار یکی از مهم‌ترین پدیده‌های مخرب در شبکه‌های برق فشار ضعیف و فشار متوسط محسوب می‌شود که در صورت عدم تحلیل صحیح، می‌تواند خسارات فنی، مالی و انسانی جبران‌ناپذیری ایجاد کند. با گسترش شبکه‌های توزیع، افزایش بار مصرفی، توسعه صنایع، شهرنشینی و ورود تجهیزات حساس الکترونیکی، اهمیت تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار بیش از هر زمان دیگری نمایان شده است.

تحلیل اتصال کوتاه، پایه و اساس:

• انتخاب صحیح کلیدها و رله‌های حفاظتی
• طراحی ایمن تابلوها و پست‌ها
• جلوگیری از انفجار تجهیزات
• کاهش خاموشی‌های گسترده
• افزایش پایداری و قابلیت اطمینان شبکه

2. تعریف اتصال کوتاه و اهمیت آن در شبکه‌های برق:

اتصال کوتاه (Short Circuit) حالتی است که در آن مسیر جریان الکتریکی به‌صورت ناخواسته دارای امپدانس بسیار کم می‌شود. در این حالت، جریان عبوری از شبکه به‌طور ناگهانی چندین برابر مقدار نامی افزایش می‌یابد.

اهمیت اتصال کوتاه از آن جهت است که:

• جریان‌های لحظه‌ای بسیار بزرگ تولید می‌کند
• تنش حرارتی و مکانیکی شدیدی به تجهیزات وارد می‌شود
• زمان پاسخ تجهیزات حفاظتی تعیین‌کننده بقا یا تخریب شبکه است

3. انواع اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار ضعیف و فشار متوسط:

a. اتصال کوتاه تک‌فاز به زمین: رایج‌ترین نوع خطا، به‌خصوص در شبکه‌های هوایی. معمولاً ناشی از شکست عایق یا تماس هادی با زمین است.

b. اتصال کوتاه فاز به فاز: در اثر تخریب عایق کابل یا تماس دو هادی فاز.

c. اتصال کوتاه دو فاز به زمین: شدیدتر از خطای تک‌فاز و با جریان بالاتر.

d. اتصال کوتاه سه‌فاز متقارن: خطرناک‌ترین حالت از نظر مقدار جریان و انرژی آزادشده؛ مبنای طراحی تجهیزات حفاظتی.

4. مکانیزم فیزیکی وقوع اتصال کوتاه:

در حالت عادی، امپدانس شبکه مانع عبور جریان بیش از حد می‌شود.

در اتصال کوتاه:

• مقاومت الکتریکی مسیر به‌شدت کاهش می‌یابد
• جریان طبق قانون اهم افزایش می‌یابد
• حرارت ∝ I²R به‌شدت بالا می‌رود
• نیروهای الکترودینامیکی باعث تنش مکانیکی می‌شوند

این پدیده می‌تواند در کسری از ثانیه تجهیزات را نابود کند.

5. علل اصلی بروز اتصال کوتاه در شبکه‌های توزیع:

مهم‌ترین عوامل عبارت‌اند از:

• فرسودگی عایق کابل‌ها
• نفوذ رطوبت و آلودگی صنعتی
• اضافه‌بار طولانی‌مدت
• طراحی غیراصولی شبکه
• نصب نادرست تجهیزات
• خطای انسانی در تعمیرات
• شکست مقره‌ها
• برخورد اشیای خارجی با خطوط

6. پیامدهای فنی، ایمنی و اقتصادی اتصال کوتاه:

اتصال کوتاه می‌تواند منجر به:

• انفجار کلیدهای قدرت
• آتش‌سوزی تابلوهای برق
• سوختن ترانسفورماتورها
• خاموشی گسترده مناطق شهری
• کاهش عمر تجهیزات
• افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
• تهدید جان پرسنل و مردم

7. پارامترهای مؤثر در محاسبه جریان اتصال کوتاه:

a. ولتاژ نامی شبکه: هرچه ولتاژ بالاتر، انرژی خطا بیشتر.

b. امپدانس ترانسفورماتور: درصد امپدانس ترانس (Uk %) نقش کلیدی دارد.

c. امپدانس کابل و خطوط: طول، سطح مقطع، جنس هادی و نوع عایق.

d. نوع سیستم زمین: TN، TT یا IT تأثیر مستقیم بر جریان خطای زمین دارند.

e. توان اتصال کوتاه شبکه بالادست: در شبکه‌های شهری معمولاً بسیار زیاد است.

8. مبانی تئوریک تحلیل اتصال کوتاه:

تحلیل اتصال کوتاه بر پایه:

• شبکه‌های معادل
• مؤلفه‌های متقارن
• مدارهای توالی مثبت، منفی و صفر
• مدل‌سازی امپدانس تجهیزات

انجام می‌شود.

9. روش‌های محاسبه جریان اتصال کوتاه:

a. روش محاسبات دستی: طبق استاندارد IEC 60909.

b. روش پریونیت (Per Unit): ساده‌سازی محاسبات در شبکه‌های بزرگ.

c. تحلیل نامتقارن: برای خطاهای تک‌فاز و دو فاز.

d. تحلیل نرم‌افزاری: دقیق‌ترین و حرفه‌ای‌ترین روش.

10. تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشارضعیف:

در شبکه LV:

• جریان اتصال کوتاه بسیار بالا
• زمان قطع باید کمتر از 0.4 ثانیه باشد
• انتخاب Icu و Ics کلیدها حیاتی است

عدم انتخاب صحیح کلید باعث انفجار تابلو می‌شود.

11. تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار متوسط:

در شبکه MV:

• جریان کمتر اما انرژی خطا بیشتر
• رله‌های دیجیتال نقش حیاتی دارند
• بریکرهای خلأ و SF6 استفاده می‌شوند

خطای زمین در MV بسیار حساس است.

12. نقش سیستم زمین در جریان اتصال کوتاه:

سیستم زمین مناسب:

• جریان خطای زمین را کنترل می‌کند
• ولتاژ تماس و گام را کاهش می‌دهد
• عملکرد صحیح رله‌ها را تضمین می‌کند

زمین ضعیف = خطر برق‌گرفتگی شدید.

13. تجهیزات حفاظتی و نقش آن‌ها در مهار اتصال کوتاه:

• کلیدهای MCB، MCCB، ACB
• فیوزهای قدرت
• رله‌های اضافه‌جریان
• رله اتصال زمین
• بریکرهای خلأ و SF6
• ریکلوزرها

این تجهیزات باید توان تحمل حرارتی و مکانیکی جریان اتصال کوتاه را داشته باشند.

14. هماهنگی حفاظتی و انتخاب صحیح تجهیزات:

هماهنگی حفاظتی یعنی:

• فقط تجهیز نزدیک محل خطا قطع شود
• سایر بخش‌ها پایدار بمانند

این کار با تنظیم:

• جریان
• زمان
• منحنی عملکرد

انجام می‌شود.

15. نقش نرم‌افزارهای تخصصی در تحلیل اتصال کوتاه:

نرم‌افزارهای پرکاربرد:

• ETAP
• DIgSILENT PowerFactory
• CYME
• SKM

این نرم‌افزارها امکان:

• شبیه‌سازی خطا
• بررسی هماهنگی حفاظتی
• انتخاب دقیق تجهیزات

را فراهم می‌کنند.

16. تولیدکنندگان معتبر تجهیزات حفاظتی:

تحلیل اتصال کوتاه به‌تنهایی یک محاسبه تئوریک نیست، بلکه به‌طور مستقیم با انتخاب صحیح تجهیزات شبکه مانند ترانسفورماتور، کلیدهای قدرت، رله‌های حفاظتی، تابلوهای برق و تجهیزات اندازه‌گیری ارتباط دارد. بنابراین شناخت تولیدکنندگانی که تجهیزات آن‌ها مطابق با استانداردهای اتصال کوتاه طراحی شده‌اند، اهمیت بالایی دارد.

a. تولیدکنندگان معتبر داخلی (ایران):

i. پارس تابلو (Pars Tablo Group):

پارس تابلو یکی از شناخته‌شده‌ترین تولیدکنندگان تابلوهای برق فشار ضعیف و متوسط در ایران است. این شرکت تابلوهایی طراحی می‌کند که تحمل جریان‌های اتصال کوتاه بالا را مطابق استاندارد IEC 61439 و IEC 62271 دارند.

تابلوهای تولیدی این شرکت از نظر:

• استقامت حرارتی در برابر جریان اتصال کوتاه
• استقامت دینامیکی شینه‌ها
• هماهنگی حفاظتی با کلیدهای قدرت

به‌صورت مهندسی‌شده طراحی می‌شوند و در پروژه‌های شهری، صنعتی و پست‌های توزیع به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

وب‌سایت: https://ptgc.co

ii. سیمکو (Simco Cable):

شرکت سیمکو یکی از تولیدکنندگان مطرح کابل‌های قدرت فشار ضعیف و متوسط در ایران است. در تحلیل اتصال کوتاه، تحمل حرارتی کابل در برابر جریان خطا نقش کلیدی دارد و کابل‌های سیمکو با رعایت استاندارد IEC 60502 و IEC 60228 طراحی می‌شوند.

ویژگی مهم کابل‌های این شرکت:

• تحمل جریان اتصال کوتاه در زمان مشخص (۱ ثانیه یا ۳ ثانیه)
• عایق XLPE با مقاومت حرارتی بالا
• شیلد مناسب برای شبکه‌های MV

این ویژگی‌ها باعث می‌شود نتایج تحلیل اتصال کوتاه به‌صورت واقعی و قابل اتکا در طراحی شبکه اعمال شوند.

وب‌سایت: https://simcocable.com

iii. ایران ترانسفو (Iran Transfo):

ایران ترانسفو بزرگ‌ترین تولیدکننده ترانسفورماتور در خاورمیانه است. امپدانس ترانسفورماتورهای این شرکت نقش مستقیم در تعیین سطح جریان اتصال کوتاه شبکه دارد.

ترانس‌های تولیدی این شرکت:

• با امپدانس قابل سفارش طراحی می‌شوند
• مطابق استاندارد IEC 60076 هستند
• تأثیر تعیین‌کننده‌ای بر کاهش یا افزایش جریان اتصال کوتاه دارند

در اغلب مطالعات اتصال کوتاه شبکه‌های توزیع ایران، داده‌های ترانس ایران ترانسفو به‌عنوان مرجع استفاده می‌شود.

وب‌سایت: https://irantransfo.ir

iv. نیروسان:

این شرکت در حوزه تولید تجهیزات فشارضعیف، تابلوهای توزیع، جعبه‌های فیوز و تجهیزات حفاظتی فعالیت دارد. تجهیزات تولیدی آن در شبکه‌های LV باید تحمل جریان اتصال کوتاه محاسبه‌شده را داشته باشند.

ویژگی مهم محصولات:

• قدرت قطع مناسب کلیدها
• سازگاری با محاسبات اتصال کوتاه شبکه‌های شهری
• کاربرد گسترده در پروژه‌های توزیع برق

وب‌سایت: https://nirouresan.com

b. تولیدکنندگان معتبر خارجی (بین‌المللی):

i. Schneider Electric فرانسه:

اشنایدر الکتریک یکی از پیشروترین شرکت‌های جهان در زمینه تجهیزات فشار ضعیف و متوسط است. کلیدهای MCCB، ACB و تابلوهای LV این شرکت با قدرت قطع‌های بسیار بالا طراحی می‌شوند.

در تحلیل اتصال کوتاه:

• مقادیر Icu و Ics تجهیزات اشنایدر کاملاً مستند هستند
• نرم‌افزارهای این شرکت (EcoStruxure) مستقیماً در تحلیل اتصال کوتاه استفاده می‌شوند
• تجهیزات آن انتخاب اول برای شبکه‌های شهری و صنعتی هستند

وب‌سایت: https://www.se.com

ii. Siemens آلمان:

زیمنس یکی از معتبرترین تولیدکنندگان رله‌های حفاظتی دیجیتال، تابلوهای MV و کلیدهای قدرت است. در شبکه‌های فشار متوسط، تحلیل اتصال کوتاه بدون درنظر گرفتن رله‌های زیمنس عملاً ناقص خواهد بود.

ویژگی‌های مهم:

• رله‌های حفاظتی دقیق برای تشخیص خطا
• کلیدهای MV با تحمل تنش‌های اتصال کوتاه
• مناسب برای شبکه‌های گسترده و پست‌های توزیع

وب‌سایت: https://www.siemens.com

iii. ABB سوئیس / سوئد:

ABB در زمینه کلیدهای قدرت، تابلوهای صنعتی و رله‌های حفاظتی یکی از برندهای مرجع است. تجهیزات این شرکت در برابر تنش‌های حرارتی و مکانیکی ناشی از اتصال کوتاه عملکرد بسیار بالایی دارند.

کاربرد در تحلیل اتصال کوتاه:

• انتخاب کلید بر اساس داده‌های دقیق کارخانه
• قابلیت اطمینان بالا در قطع جریان خطا
• مناسب برای شبکه‌های LV و MV

وب‌سایت: https://www.abb.com

17. جمع‌بندی نهایی:

تحلیل اتصال کوتاه در شبکه‌های فشار، ستون فقرات طراحی ایمن شبکه‌های برق است. بدون این تحلیل، هیچ شبکه‌ای پایدار، ایمن و اقتصادی نخواهد بود. انتخاب صحیح تجهیزات حفاظتی بر پایه تحلیل دقیق، ضامن سلامت شبکه و جان انسان‌هاست.