جنبه‌های طراحی تابلوهای ضدقوس فشار متوسط

در طراحی متعارف یک تابلو برق، جریان اتصال‌کوتاه دو دفعه از تابلو عبور داده می‌شود: نخست برای ارزیابی بار حرارتی (جریان تحمل کوتاه‌مدت) و دوم برای ارزیابی بار الکترودینامیکی (جریان قله). اما رویداد قوس داخلی در درون تابلو با موارد قبلی تفاوت چشمگیر دارد. در این پدیده مسئله دیگر عبور جریان از هادی‌های سالم نیست، بلکه تخلیه انرژی زیاد است.

قوسی با جریان ۲۵ کیلوآمپر می‌تواند در چند میلی‌ثانیه محفظه‌ای به حجم نزدیک به یک متر مکعب را تحت فشاری قرار دهد که از توان ورق‌ها، لولاها و بست‌ها فراتر می‌رود. هدف این مقاله، تبیین مبانی فیزیکی و مهندسی حاکم بر مهار این پدیده از دید طراح و سازنده است.

قوس داخلی ستونی از پلاسمای گازی است که در میان دو یا چند هادی برقرار می‌شود. دمای هسته آن تا حدود ۲۰۰۰۰ کلوین می‌رسد و می‌تواند مس و آلومینیوم را ذوب و تبخیر کند. بخار شدن مس با افزایش حجمی در حدود چند ده هزار برابر همراه است؛ این یکی از پیامدهای تولید گاز داغ و ذرات رسانا در محفظه است.

انرژی تخلیه‌شده در قوس از تجمیع توان لحظه‌ای به‌دست می‌آید که برابر حاصل‌ضرب ولتاژ و جریان است. ولتاژ قوس ثابت نیست و با طول قوس رشد می‌کند. بنابراین در جریان یکسان، قوسی که فاصله بیشتری را بپیماید انرژی بیشتری آزاد می‌کند. در عمل مسیر قوس روی شینه‌ها، تحت نیروی الکترودینامیکی به‌سمت انتهای شینه، دور از منبع، حرکت می‌کند و طول و ولتاژ قوس را افزایش می‌دهد.

بخش اصلی انرژی قوس صرف گرم کردن گاز محفظه می‌شود. بدون مسیر تخلیه، با افزایش زمان، فشار درون محفظه تابلو به‌شدت افزایش می‌یابد.

• فشار اولیه در چند میلی‌ثانیه شکل می‌گیرد و پیش از آنکه هر کلیدی فرصت عملکرد داشته باشد، سازه باید آن را تحمل کند یا دریچه‌های تخلیه باز شده باشند.
• دریچه باید در زمان بسیار کمی در حدود میلی‌ثانیه عمل کند؛ بنابراین جرم دریچه، لولا و فنر آن نیاز به طراحی دینامیکی دارد.
• کم کردن حجم تابلو بدون افزایش سطح تخلیه، شدت مسئله را مستقیماً افزایش می‌دهد.
• پس از باز شدن دریچه، فشار با دبی تخلیه، سطح دریچه و افت فشار کانال تعیین می‌شود.

طراحی ضدقوس ترکیبی از سه ایده است: جداسازی محفظه‌ها برای محدود کردن دامنه خطا، تخلیه کنترل‌شده فشار از مسیر معین، و استحکام سازه برای دوام در مدت لازم تا دریچه‌ها عمل کنند.

• جداسازی محفظه‌ها: محفظه‌های شینه، کلید و کابل با پارتیشن‌های فلزی مستقل می‌شوند تا قوس به محفظه مجاور نفوذ نکند.
• دریچه تخلیه: آستانه بازشدن باید بالاتر از بارهای عادی و پایین‌تر از ظرفیت سازه با ضریب اطمینان کافی باشد.
• کانال تخلیه: مسیر خروج گاز داغ را به‌سوی ناحیه امن هدایت می‌کند و باید با شرایط نصب واقعی سازگار باشد.
• مواد و عایق‌ها: انتخاب مواد خودخاموش‌شونده و کم‌دود سهم گاز تولیدی را کاهش می‌دهد.

در جریان و ولتاژ قوس معین، انرژی با زمان نسبت مستقیم دارد. در حفاظت اضافه‌جریان تأخیری، تأخیر عمدی چندصد میلی‌ثانیه‌ای برای هماهنگی با حفاظت‌های پایین‌دست مرسوم است؛ همین تأخیر که برای سلکتیویتی مفید است، برای قوس داخلی بخش اصلی انرژی را تحمیل می‌کند.

استفاده از دستگاه‌های تشخیص قوس در درون تابلو می‌تواند این تأخیر را به‌شدت کاهش دهد. این دستگاه‌ها با استفاده از سنسورهای نوری زمان تشخیص را به کمتر از ۲ میلی‌ثانیه می‌رسانند. شرکت مهندسی میهن تابلو فجر تجربه و دانش به‌کارگیری این دستگاه‌های محافظ قوس را در اختیار دارد و پیاده‌سازی موفق این فناوری را به انجام رسانده است.

با کوتاه‌تر شدن زمان قطع، انرژی حرارتی نیز کمتر می‌شود؛ اما موج فشار اولیه در چند میلی‌ثانیه نخست شکل می‌گیرد که در این بازه کلید هنوز عمل نکرده است. بنابراین استفاده از دستگاه تشخیص قوس و کلید، جایگزین طراحی مقاوم در برابر فشار نیست.

تنها کلید اتصال زمین فوق‌سریع، که قوس را با انحراف جریان به زمین در حدود چند میلی‌ثانیه خاموش می‌کند، می‌تواند هم انرژی و هم فشار پیک را کاهش دهد. میهن تابلو فجر این راهکار را نیز با درخواست مشتری پیاده‌سازی می‌کند و قادر است زمان تشخیص و قطع قوس را مجموعاً به کمتر از ۴ میلی‌ثانیه برساند.

• IEC 62271-200 — AC metal-enclosed switchgear and controlgear (Annex A).
• IEC TR 61641 — Guide for testing under conditions of arcing due to internal fault.
• IEC 61439-2 — Power switchgear and controlgear assemblies.
• IEEE C37.20.7 — Guide for Testing Metal-Enclosed Switchgear for Internal Arcing Faults.
• IEEE 1584 — Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations.