اجهزة الحماية من التيار الزائد

Eng.Mohamad

مدير عام
طاقم الإدارة
جهزة الحماية من التيار الزائد
تعتبر أجهزة الحماية من التيار الزائد عنصرآ أساسيآ في الشبكات الكهربائية ابتداءآ من مراكز التوليد مرورآ بخطوط النقل ومراكز التحويل ، وانتهاء بشبكات المستهلكين
تستخدم أجهزة الحماية لقطع التغذية الكهربائية يدويا في الأخوال العادية أو آليا عند مرور تيارات زائدة عن عيار جهاز الحماية
يقوم عنصر التحسس في جهاز الحماية بفصل التغذية وفق منحن بياني يسمى منحني القطع الذي يمثل العلاقة بين التيار المار وزمن الفصل ، ويتألف هذا المنحني من قسمين :
• الأول للتيارات الزائدة الناتجة عن زيادة التحميل
• الثاني للتيارات الزائدة الناتجة عن دارات القصر
كما هو موضح في الشكل (2 - 1)



وقد يحوي جهاز الحماية على عنصرين للتحسس والفصل (مثل القواطع الآلية الحرارية المغناطيسية) ، حيث بفصل الأول التيار الزائد الناتج عن زيادة التحميل ، وتسمى هذه الحماية بالحماية الحرارية ، والثاني يفصل التيار الزائد الناتج عن دارات القصر ، وتسمى هذه الحماية بالحماية المغناطيسية . كما يمكن أن يحوي جهاز الحماية على عنصر تحسس واحد (مثل الفواصم) حيث يقوم بالفصل في كلتا الحالتين (زيادة تحميل ، دارات قصر)
يعتمد اختيار جهاز الحماية المناسب لحمل معين على معارين أساسيين ، هما :
• الأول : أن يكون منحني القطع الخاص بجهاز الحماية مناسبآ لطبيعة الحمل . فحماية محرك كهربائي مثآ تختلف عن حماية خط نقل القدرة
• الثاني : أن يتم تنسيق أنواع وعيارات أجهزة الحماية ومنحنيات القطع بحيث يؤدي حصول عطل ما في الشبكة الكهربائية (زيادة تحميل – دارة قصر) الى عمل أقرب جهاز حماية من مكان العطل لفصل الجزء الذي حصل العطل عنده فقط ، دون قطع التغذية عن الأجزاء السليمة الأخرى من الشبكة ، وتسمى هذه العملية بالانتقائية ، ويتحقق ذلك عن طريق :
o اختيار عيارات أجهزة الحماية الموصولة على التسلسل بحيث يكون عيار جهاز الحماية الأقرب الى الحمل أصغر بدرجة واحدة على الأقل من عيار أداة الحماية الأبعد عن الحمل
o اختيار أجهزة الحماية بحيث يكون زمن الفصل لجهاز الحماية الأبعد عن الحمل . حيث يوضح الشكل (2 - 2) مثالآ عن تنسيق الحمايات ، حيث يظهر من الشكل أن منحني القطع العائد لجهاز الحماية الأقرب الى الحمل يقع تحت منحني القطع العائد لجهاز الحماية



سوف نتعرض في هذا الفصل للأنواع الرئيسية لأجهزة الحماية المستخدمة في شبكات التوتر المنخفض . وهي الفواصم – القواطع الآلية – الزواجل الحرارية المستخدمة مع الكونتكتورات .
الفواصم
وهي أقدم وأبسط أجهزة الحماية ز يتألف عنصر الحماية فيها من معدن قابل للانصهار (نحاس ، ألمنيوم ، فضة ..) تتحدد نوعيته وأبعاده حسب عيار التيار الاسمي للفاصمة
تتميز الفواصم برخص كلفتها واستطاعة القطع الكبيرة جدآ بالمقارنة مع القواطع الآلية ، ومن مساوئها أن الفواصم المركبة على الأطوار تكون مستقلة عن بعضها البعض مما يؤدي الى إمكانية فصل إحدى الفواصم دون الأخرى ، وبالتالي انقطاع التغذية عن أحد الأطوار واستمرارها للأطوار الأخرى ، وهذا قد يسبب مشاكل فنية حين تغذية دارات المحركات مثلآ ، لذلك تستخدم الفواصم بشكل رئيسي للحماية من زيادة التحميل للأجهزة الكهربائية (محركات – محولات - ..)





استخدام الفواصم كأداة حماية من التيار الزائد الناتج عن زيادة التحميل
تستخدم الفواصم لحماية النواقل والكابلات من التيار الزائد الناتج عن زيادة التحميل ويجب اختيار عياراتها حسب مقاطع هذه النواقل والكابلات ، واستطاعتها لحمل التيار ، والجدول (3 - 2) يبين ذلك



ملاحظة
عيار الفاصمة المناسبة الواردة في هذا الجدول مناسب لاستطاعات حمل التيار للمقاطع حسب الشروط القياسية (درجة الحرارة – طريقة التمديد ...) وحين تعديل استطاعة المقطع لحمل التيار بعوامل التصحيح المناسبة ، يجب تعديل الفاصمة أيضآ لتناسب استطاعة القطع المعدلة لحمل التيار
استخدام الفواصم كأداة حماية من تيارات القصر
تستخدم الفواصم لحماية النواقل والكابلات من الدارة القصيرة ، ويجب اختيار عياراتها حسب مقطع هذه النواقل والكابلات ، وبحيث تكون أكبر من عيارات الفواصم (المناسبة لحماية نفس المقطع من التيار الزائد) بدرجة واحدة على الأقل وثلاثة درجات على الأكثر. فالناقل ذو المقطع 10 مم2 يحمي من التيار الزائد بفاصمة عيارها 50 أمبير حسب الجدول ( 3 - 2) ولحماية نفس المقطع من تيارات القصر يجب اختيار فاصمة عيارها 63 أو 80 أو 100 أمبير
حين وجود أكثر من فاصمة على التسلسل يجب اختيار عياراتها بحيث تكون الفاصمة الأبعد عن الحمل بدرجة أو درجتين على الأقل لضمان الانتقائية في عمل الفواصم
الفواصم الخلفية
هي الفواصم الموضوعة على التسلسل خلف أجهزة الحماية الأخرى لحمايتها من (أو تعزيز قدرتها على قطع) تيارات الدارة القصيرة . وكمثال على ذلك استخدام الفواصم كفواصم خلفية مع
• القواطع الآلية : حين تكون استطاعة القطع لهذه القواطع لا تغطي تيارات القصر المتوقع مرورها عبر القاطع . مثال : وجود هذه القواطع لأقرب من مراكز التحويل
• الكونتكتورات : لحماية الأجهزة التي تقوم بتشغيلها (محركات) من الدارة القصيرة إضافة الى حماية الكونتكتورات نفسها من التصاق تماساتها عند مرور تيارات القصر
يبين الجدول التالي مثالآ عن عيارات الفواصم الخلفية المناسبة للكونتكتورات



مثال : محرك خلاط عجين ، استطاعته 5.5 KW يتم تشغيله بواسطة كونتكتور وزاجل حراري ، والمطلوب تحديد الفاصمة الخلفية المناسبة لحماية تماسات الكونتكتور
الحل :لتشغيل وحماية هذا المحرك ، تم اختيار :
• زاجل حراري عيار 10 – 15 A لأن التيار الاسمي للمحرك بحدود (11A) عند عامل استطاعة (0.8 )
• كونتكتور نموذج (SL16) حسب الجدول (4 - 2) حيث تيار العمل الاسمي للكونتكتور عند AC3 أكبر من 11 أمبير
• فاصمة خلفية بطيئة عيار 36 أمبير حسب الجدول 4 – 2
ملاحظة :
تم اختيار الكونتكتور SL16 بدلآ من SL12 وذلك بسبب طبيعة عمل المحرك (خلط عجين) التي تتطلب إقلاعه تحت الحمل وكثرة التوقف والإقلاع
القواطع الآلية
وهي أوسع أدوات الحماية انتشارآ ، وتتميز بقدرتها العالية على تحمل الاجهادات الكهربائية والميكانيكية الناتجة عن وصل وفصل التغذية عن التجهيزات في ظروف التشغيل الطبيعية أو عند حصول الأعطال
تحوي القواطع الآلية عنصر حماية حرارية (مزدوجة حرارية) للحماية من التيار الزائد الناتج عن زيادة التحميل ، وعنصر حماية كهرومغناطيسية (ملف) للحماية من التيار الزائد الناتج عن دارات القصر ، وعيار التيار الاسمي لكلا الحمايتين يكون ثابتآ أو قابلآ للعيار ، كما يمكن أن تجهز الحماية الكهرومغناطيسية بتأخير زمني يفيد في تحقيق الانتقائية في عمل أجهزة الحماية في الشبكات الكهربائية
تسمى قدرة القاطع على فصل التغذية حين حدوث دارات قصر (استطاعة القطع) وتعطى بالكيلو أمبير وهي أكبر تيار عطل يستطيع القاطع فصله بأمان . وكلما زادت استطاعة القطع للقواطع الآلية ، زادت كلفتها الاقتصادية . لذا تنتج الشركات الصانعة سلاسل مختلفة من القواطع الآلية تتميز كل منها باستطاعة قطع مختلفة على الرغم من تطابق التيارات الاسمية للقواطع في كلتا السلسلتين
يكون اختيار القاطع الآلي مناسبآ حين يكون تياره الاسمي مناسبآ لما يقوم بحمايته وتكون استطاعة قطعه أكبر من تيارات القصر المتوقع مرورها مكان تركيب القاطع ، وإلا يجب اختيار قاطع ذي استطاعة قطع أكبر أو تعزيز القاطع بفاصمة خلفية مناسبة
القواطع الآلية المستخدمة في حماية تجهيزات التوتر المنخفض الصناعية
وهي قواطع آلية ذات استطاعة قطع متوسطة أو كبيرة لتناسب موقعها في الشبكة ن ويتم اختيار وتعيير أداتي الحماية الحرارية والكهرومغناطيسية التابعة لها حسب الجهاز الكهربائي الذي يقوم بحمايته على النحو التالي :
1. حين استخدام القواطع الآلية لحماية المحركات الثلاثية الطور ، تعير الحماية الحرارية على قيمة التيار الاسمي ، والحماية المغناطيسية على (10 - 12) أمثال التيار الاسمي
2. حين استخدام القواطع الآلية لحماية المولدات والمحولات ن تعير الحماية الحرارية على قيمة التيار الاسمي ، والحماية المغناطيسية على (3 - 6) أمثال التيار الاسمي
3. حين استخدام القواطع الآلية لحماية الكابلات والخطوط ، تعير الحماية الحرارية على قيمة التيار الدائم المسموح مروره في هذا الكابل أو الخط ، مع أخذ عوامل التصحيح بعين الاعتبار
4. حين استخدام القواطع الآلية لحماية المكثفات ، تعير الحماية الحرارية على (1.2 – 1.3 ) أمثال التيار الاسمي ، والحماية المغناطيسية على 9 أمثال التيار الاسمي إذا كان تيار المكثف الاسمي أقل من 100 أمبير ، وعلى 6 أمثال التيار الاسمي إذا كان أقل من 450 أمبير وعلى 4 أمثال التيار الاسمي إذا كان أكبر من ذلك
القواطع الآلية المستخدمة لحماية تجهيزات التوتر المنخفض الخفيفة
تسمى هذه القواطع بقواطع حماية الخط ، وهي قواطع آلية حرارية مغناطيسية قابلة للتركيب في اللوحات المنزلية ، ولها استطاعات قطع صغيرة نسبيآ تناسب الاستعمالات الخفيفة وخاصة الاستعمالات المنزلية
لهذه القواطع أنواع عديدة ن يتميز كل منها بحرف خاص ، مثل القواطع نموذج (G – K – L – H ) ، ويتميز كل نموذج بمنحني خاص به ، والشكلان (3 – 2 A , B) يوضحان منحنيات القطع لهذه القواطع والتي تبين مايلي :
1. تتميز القواطع نموذج G , L H بأن الحماية الحرارية بطيئة التحسس (يحتاج الى 10 دقائق ليفصل تيارآ قدره 1.75 من التيار الاسمي ) ن وهذه المزايا تجعل من مثل هذه القواطع مناسبة لحماية خطوط الإنارة والمآخذ العامة
2. تتميز القواطع نموذج K بأن الحماية الحرارية سريعة التحسس عند زيادة التيار عن التيار الاسمي ( تحتاج لدقيقة واحدة فقط لتفصل تيارآ قدره 1.75 من التيار الاسمي )، أما الحماية المغناطيسية فهي بطيئة التحسس عند التيارات العالية العابرة فمجال عملها يبدأ عند مرور تيار قدره (8 – 12 ) أمثال التيار الاسمي
وهذ المزايا تجعل من مثل هذه القواطع مناسبة لحماية دارات القدرة والتجهيزات الكهربائية الحساسة لزيادة التيار عند ظروف العمل الطبيعية ولكنها تستهلك تيارات إقلاع كبيرة عند بدء التشغيل مثل : المحركات – المحولات – أجهزة الإنارة الفائضة – مجموعات الإنارة التي بوقت واحد
الشكل (3 - 2)



القواطع الآلية التفاضلية
وهي قواطع آلية حديثة نسبيآ تستخدم لحماية الأشخاص من أخطار التكهرب وتعتبر أكثر طرق حماية الأشخاص أمانآ إذ تقوم بقطع التغذية فور حدوث تماس بين الأجزاء الحية والأجسام المعدنية القابلة للمس
تتألف القواطع التفاضلية من : محولة تفاضلية وأداة للفصل والوصل وكباس فحص . تمر النواقل الحية (أي نواقل الأطوار) والناقل الحيادي عبر المحولة التفاضلية :



في أحوال التشغيل الطبيعية وحيث أن تيار الطور وتيار الحيادي (المارين عبر المحولة التفاضلية) متماثلان في القيمة ومتعاكسان في الاتجاه . فان الأثر المغناطيسي لكل منهما سيلغي الآخر والمحصلة ستكون صفرآ ، ولن يتحرض أي توتر على الملفات الثانوية للمحولة التفاضلية
عند حدوث تماس على طرف الحمل من القاطع التفاضلي فان ذلك يسبب مرور تيار التسرب الأرضي عبر ناقل الطور أي سيحصل فرق ولو بسيط بين تيار ناقل الطور وتيار الناقل الحيادي وسيؤدي ذلك الى اختلال توازن القوى المغناطيسية في نواة المحولة التفاضلية وتحريض توتر على ملفاتها الثانوية يؤدي الى عمل أداة القطع وفصل التغذية عن الحمل
ملاحظة :
في حالة النظام ثلاثي الطور تمر الأطوار الثلاثة مع الناقل الحيادي عبر المحولة التفاضلية ويحصل التوازن المغناطيسي بين المجموع الشعاعي للأطوار الثلاثة وتيار الحيادي الذي يساويه ويعاكسه شعاعيآ سواء كان الحمل الثلاثي متوازنا أم لا . ولا يحصل الفرق (اختلال التوازن) إلا عند وجود عطل ما
إن للقواطع الآلية التفاضلية بعض المواصفات الفنية التي تميزها مثل
التيار الاسمي للقاطع IN : وهو التيار الاسمي لتماسات القاطع . ويعني أن القاطع مناسب للحمل أو مجموعة الأحمال التي يحميها في الأحوال الطبيعية . فالقاطع 25 أمبير لا يناسب حماية لوحة منزلية مجموع أحمالها 30 أمبير بغض النظر عن حساسية القاطع
تيار الخطأ (تيار التسريب )N I ∆ : وهو أقل فرق بين تيار الطور (أو الأطوار) والحيادي والذي يؤدي الى عمل القاطع وفصل التغذية . ويعبر هذا التيار عن حساسية القاطع لفصل أعطال التكهرب والتسريب . وكلما قل هذا الرقم زادت حساسية القاطع
عدد الأقطاب : وهي (2) للقاطع أحادي الطور (طور + حيادي) . و(4) للقاطع ثلاثي الطور (ثلاثة أطوار + حيادي)
استطاعة القطع : وهي أكبر تيار يستطيع القاطع فصله دون أن يسبب مروره التصاقآ في تماسات القاطع . وعندما تكون استطاعة القطع للقاطع التفاضلي أقل من تيار القصر المتوقع مروره فيجب تعزيز القاطع بفواصم خلفية مناسبة لحمايته من دارات القصر المتوقعة
وجود الحماية الحرارية : لا تصمم القواطع التفاضلية للحماية من التيارات الزائدة الناتجة عن زيادة التحميل أو دارات القصر إلا إذا كانت هذه التيارات ناتجة عن عطل أرضي أو تسريب. إلا أن بعض القواطع التفاضلية قد تحوي زواجل حرارية مستقلة للحماية من التيارات الزائدة
وجود الزواجل الزمنية : يصمم القاطع التفاضلي العادي ليعمل دون تأخير زمني ، إلا أن بعض القواطع التفاضلية قد تحوي زواجل زمنية قابلة للعيار عندما يراد تنسيق الحمايات وتحقيق انتقائية معينة في فصل أدوات الحماية
يعطي الجدول (5 - 2) مثالآ عن المواصفات الاسمية للقواطع التفاضلية التي تنتجها إحدى الشركات العالمية



القاطع الواصل (الكونتكتور) والزواجل الحرارية :
تعتبر الكونتكتورات حجر الزاوية في دارات التشغيل والتحكم الشائعة حتى ألآن ، وهي أداة يمكن بواسطتها قطع ووصل التغذية الكهربائية عن التجهيزات الكهربائية عن قرب أو بعد أو بكليهما معآ
تتألف الكونتكتورات من تماسات ثابتة و تماسات متحركة يتم تشغيلها بواسطة وشيعة تتغذى بالتيار الكهربائي (بشكل مستقل عن تيار الحمل) عن طريق كبأس تشغيل ويتم فصل التغذية عن طريق كبا س أبقاف . ويمكن وضع هذين الكباسين قرب الآلة أو في لوحة التشغيل أو في أي مكان مناسب آخر
تصنيف الكونتكتورات حسب طبيعة الأداء :
تصنف الكونتكتورات التي تقوم بتشغيل الأجهزة الكهربائية (سخانات ، محركات ، إنارة) حسب طبيعة عمل هذه الأجهزة الى أربعة زمر للتيار المتناوب AC وخمسة زمر للتيار المستمر DC على النحو التالي :
AC1 : أحمال غير تحريضية ، أو ذات تحريض قليل ، مقاومات تسخين (أفران)
AC2 : لإقلاع المحركات ذات حلقات انزلاق بدون قطع تيار عكس الحركة . إقلاع محركات ذات حلقات انزلاق مع قطع تيار عكس الحركة
AC3 : إقلاع محركات ذات قفص سنجابي مع إمكانية فصل التغذية عنها تحت الحمل
AC4 : إقلاع محركات ذات قفص سنجابي ، تشغيل متقطع مع إمكانية قطع تيار عكس الحركة والتشغيل العكسي
DC1 : أحمال غير تحريضية أو قليلة التحريض ، مقاومات تسخين (أفران)
DC2 : محركات تفرعيه (إقلاع ، فصل تحت الحمل )
DC3 : محركات تسلسلية (إقلاع ن تشغيل متقطع ، تشغيل عكسي)
DC4 : محركات تسلسلية (إقلاع ، فصل تحت الحمل)
DC5 : محركات تسلسلية (إقلاع ، تشغيل متقطع ، تشغيل عكسي)
يتم اختيار الكونتكتورات كأدوات تشغيل وتحكم (فصل / وصل) اعتمادآ على مايلي :
• طبيعة الأداء ك حسب الزمرة المناسبة ، فعلى سبيل المثال فان الكونتكتور الذي يصلح للعمل بتيار 10 أمبير ضمن الزمرة AC1 لا يصلح للعمل بتيار أكثر من 4 أمبير فقط ضمن الزمرة AC2
• عمر تماسات الكونتكتور : وهو عدد مرات التشغيل (فصل / وصل) المطلوبة خلال فترة عمله
حماية الكونتكتورات والأحمال التي تتحكم بها
إن الكونتكتورات لاتمثل أدوات حماية للأحمال التي تشغلها وتتحكم بها ن لذا يجب توفير أداة حماية للكونتكتورات وللأحمال التي تشغلها و غالبآ ما تكون الحمايات كما يلي :
• فواصم خلفية : بعبارات مناسبة لعيارات الكونتكتورات وطبيعة أدائها ، وذلك لحماية تماسات الكونتكتورات من الالتصاق عند حصول دارات قصر إضافية الى حماية الحمل (الجهاز المربوط مع الكونتكتور مثل المحركات) من تيارات القصر والجدول 4 – 2 يعطي مثالآ لعيارات الفواصم الخلفية المناسبة
• زواجل حرارية : وهي أكثر أجهزة الحماية استعمالآ لحماية التجهيزات الكهربائية الحساسة للتيار الزائد الناتج عن زيادة التحميل مثل : (المحركات ، المحولات...) تتألف الزاجلة الحرارية من مزدوجة حراريةBimetal تقوم بفصل التغذية عن الحمل حين مرور تيار أكبر من عيارها الاسمي ولزمن يمكن معرفته من منحني القطع ( تيار – زمن )الخاص بهذه الزاجلة
إن للزواجل الحرارية المخصصة لحماية المحركات ثلاثة أنواع رئيسية كما يلي :
1. الزواجل الحرارية المخصصة للمحركات ذات الإقلاع السهل : ويتميز منحني القطع بأنه عند مرور تيار قدره 6 أمثال التيار الاسمي يكون زمن الاستجابة (الفصل) لها 2 ثانية على الأقل انطلاقا من الوضع البارد

2. الزواجل الحرارية المخصصة للمحركات ذات الإقلاع الصعب : ويتميز منحني القطع بأنه عند مرور تيار قدره 6 أمثال التيار الاسمي يكون زمن الاستجابة (الفصل) لها 5 ثواني على الأقل انطلاقا من الوضع البارد

3. الزواجل الحرارية المخصصة للمحركات ذات الإقلاع الصعب جدآ : ويكون لهذه الزواجل محولة مشبعة بحيث تتميز هذه الزواجل بزمن استجابة (فصل) وسطي قدره 20 ثانية عند مرور تيار مقداره 6 أمثال التيار الاسمي
 
أعلى