جرقه قوسی از ترانسفورماتور آغاز می‌شود: چگونه kVA، امپدانس و زمان قطع، انرژی حادثه را تعیین می‌کنند

برچسب روی تابلوی کلیدزنی نشان‌دهندهٔ ۸ کالری بر سانتی‌متر مربع بود. مطالعهٔ پشت این برچسب بر اساس ترانسفورماتوری با ظرفیت ۱۵۰۰ kVA و امپدانس ۵٫۷۵ درصد انجام شده بود؛ ترانسفورماتوری که هجده ماه پیش خارج شده و با ترانسفورماتوری ۲۰۰۰ kVA با همان امپدانس نام‌پلاکی جایگزین شده بود. کسی مطالعه را دوباره انجام نداد. کسی برچسب را دوباره چاپ نکرد. برق‌کاری که آن صبح بخش مربوطه را باز کرد، بر اساس عدد روی برچسب لباس پوشیده بود، در حالی که انرژی حادثه در آن نقطه به حدود ۲۰ کالری بر سانتی‌متر مربع نزدیک بود.

ما ترانسفورماتور می‌سازیم، و این بخشی از فلش قوس کاری که بین پیمانکار برق و سازنده قرار می‌گیرد: ترانسفورماتور منبع جریان اتصال کوتاه است، بنابراین هر چیزی که منبع را تغییر دهد، خطر را نیز تغییر می‌دهد. مشخصاتی که تنها kVA، ولتاژ و امپدانس را فهرست می‌کند و در اینجا متوقف می‌شود، تیم مطالعه را در مورد تحمل، زمان قطع و پیکربندی سیم‌پیچی در حالت تردید می‌گذارد. در اینجا تأثیر هر یک از این عوامل بر انرژی حادثه و آنچه باید پیش از شروع مطالعه به‌صورت کتبی تعیین شود، آورده شده است.

چگونه ترانسفورماتور جریان اتصال کوتاه قابل دسترس را تعیین می‌کند

جریان اتصال کوتاه صلب در ترمینال‌های ثانویه از یک رابطه ناشی می‌شود: جریان نامی ثانویه تقسیم‌بر درصد امپدانس. فرض کنید ترانسفورماتوری با تر프로그ر فاز سه ظرفیت نامی ۲۰۰۰ kVA، ولتاژ ۱۳/۸ kV با پیکربندی دلتا و ولتاژ ثانویه ۴۸۰Y/۲۷۷ V داشته باشیم. جریان نامی ثانویه ۲۴۰۶ A است. در امپدانس ۵/۷۵٪ ایمپدانس ترانسفورمر جریان اتصال کوتاه صلب برابر است با ۲۴۰۶ تقسیم‌بر ۰/۰۵۷۵ که برابر با ۴۱/۸ kA می‌شود، بدون در نظر گرفتن امپدانس منبع بالادستی و هادی‌های ورودی.

اعداد واقعی پایین‌تر هستند. یک دستگاه ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری که از شبکه‌ای با ظرفیت اتصال کوتاه ۱۵۰ مگاولت‌آمپر تغذیه می‌شود، معمولاً جریانی بین ۳۰ کیلوآمپر تا ۳۵ کیلوآمپر را در ترمینال‌های ثانویه تحویل می‌دهد، نه ۴۱٫۸ کیلوآمپر. همچنان ترانسفورماتور نقش اصلی را در محاسبه ایفا می‌کند. اگر امپدانس را به ۷٫۵ درصد افزایش دهیم — مقداری که بسیاری از شرکت‌های توزیع برق برای کنترل جریان اتصال کوتاه و حفاظت از تجهیزات خود تعیین می‌کنند — مقدار جریان اتصال کوتاه صلب به ۳۲٫۱ کیلوآمپر کاهش می‌یابد. همان ظرفیت کیلوولت‌آمپر، همان ولتاژها، کاهش ۲۳ درصدی در جریان اتصال کوتاه، و یک مطالعهٔ متفاوت با برچسبی متفاوت.

آن گسترش، پیش از اینکه کسی دربارهٔ تجهیزات حفاظت فردی (PPE) صحبت کند، در سطح تجهیزات خود را نشان می‌دهد. تابلوی برقی با ظرفیت قطع ۲۲ کیلوآمپر در کارهای صنعتی سبک معمولی است. اما اگر یک واحد ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری با امپدانس پایین در جلوی آن قرار داده شود، جریان اتصال کوتاه قابل دسترس از ظرفیت قطع تجهیزات فراتر می‌رود، مگر اینکه از ترکیبی با رتبه‌بندی سری یا مجموعه‌ای با ظرفیت قطع بالاتر (AIC) استفاده شود. ما این بحث را هر ماه در نقشه‌ها مشاهده می‌کنیم: شرکت تأمین‌کننده برق تمایل به امپدانس بالاتر دارد، در حالی که تأسیسات به تنظیم ولتاژ بهتری نیاز دارد و تجهیزات پیش از هر یک از این دو گفت‌وگو خریداری شده‌اند.

پیکربندی پیچش، نیمهٔ دیگر تصویر جریان خطا را تعیین می‌کند. واحد دلتا-وای برای خطاهای تک‌فاز به زمین در سمت ثانویه مسیری با امپدانس پایین فراهم می‌کند و جریان مربوطه اغلب ۵۰ تا ۶۰ درصد مقدار سه‌فاز قفل‌شده است. واحد دلتا-دلتا مسیر بازگشتی برای جریان زمین در سمت ثانویه ندارد، بنابراین رفتار خطای زمین بسیار متفاوت است. گروه برداری روی پلاک شناسایی، جزئیات رسمی نیست؛ بلکه مشخص می‌کند که کدام خطا باید توسط مهندس مطالعه محاسبه شود.

 

سه متغیر مؤثر بر انرژی حادثه

یک انرژی حادثه این مقدار تابعی از میزان جریان عبوری در طول قوس الکتریکی، مدت زمان تداوم قوس و فاصلهٔ کارگر از قوس است. ترانسفورماتور کنترل‌کنندهٔ متغیر اول است. دستگاه حفاظتی در برابر جریان اضافی و تنظیمات آن، متغیر دوم را کنترل می‌کنند. چیدمان تجهیزات، متغیر سوم را کنترل می‌کند. مطالعه‌ای که تنها یکی از این سه متغیر را ثابت در نظر بگیرد، مطالعهٔ واقعی نیست، بلکه تخمینی است که صرفاً دارای یک صفحهٔ عنوان است.

متغیر	عوامل مؤثر بر آن	تأثیر بر انرژی حادثه	جایگاه ترانسفورماتور
جریان خطا موجود	توان ترانسفورماتور بر حسب کیلوولت‌آمپر و درصد امپدانس، همراه با قدرت منبع برق و طول رسانا	با افزایش جریان قوسی افزایش می‌یابد و پس از پایدار شدن قوس در جریان بالا، سریع‌تر افزایش می‌یابد	ترانسفورماتور ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپری با امپدانس ۵٫۷۵٪ در ولتاژ ۴۸۰ ولت، جریان اتصال کوتاه حدود ۴۱٫۸ کیلوآمپر ایجاد می‌کند
زمان قطع	نوع دستگاه، تنظیمات، هماهنگی و تنظیمات حالت نگهداری	تقریباً خطی: نصف کردن زمان، تقریباً نصف انرژی را نیز نتیجه می‌دهد	واحدهای بزرگ‌تر دستگاه‌های بالادستی را به منحنی‌های کندتر هل می‌دهند
فاصله کاری	عمق پوسته، موانع و موقعیت کار	با افزایش فاصله به‌سرعت کاهش می‌یابد	اتصالات در عمق بیشتری درون پوسته‌های بزرگ‌تر قرار دارند

جدول‌های پوشش‌های حفاظتی در NFPA 70E مرحله‌های ۴، ۸، ۱۲، ۲۵ و ۴۰ کالری بر سانتی‌متر مربع قرار دارند و ویرایش ۲۰۲۷ هم‌اکنون در اکثر سایت‌های ایالات متحده اجرا می‌شود. افزایش مرز از ۴ کالری بر سانتی‌متر مربع به ۸ کالری بر سانتی‌متر مربع تفاوت بین لباس‌های روزانه با مقاومت در برابر قوس الکتریکی و لباس کامل با کلاه‌گذار است؛ و در بسیاری از کارخانه‌ها این تفاوت تصمیم می‌گیرد که آیا یک کار خاص درون سازمان انجام شود یا به‌صورت پیمانی واگذار گردد. بالاتر از ۴۰ کالری بر سانتی‌متر مربع، اکثر اپراتورها کار روی تجهیزات زیر ولتاژ را اصلاً به‌عنوان گزینه‌ای در نظر نمی‌گیرند.

دلیل طراحی بر اساس این سقف این است که معمولاً جریان قوس عامل اصلی عبور یک بخش از این حد نیست؛ بلکه تقریباً همیشه زمان قطع است. دو تأسیسات با خدمات یکسان ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپر می‌توانند صرفاً به‌دلیل اینکه یک قطع‌کنندهٔ بالادستی زمان قطع ۰٫۴ ثانیه‌ای دارد و دیگری از فیوز محدودکنندهٔ جریان استفاده می‌کند، در دو سوی خط ۴۰ کالری بر سانتی‌متر مربع قرار گیرند.

 

جایی که تحمل امپدانس به‌صورت ناشنوا تعداد را تغییر می‌دهد

ایمپدانس نام‌برد یک مقدار اعلام‌شده است، نه یک مقدار اندازه‌گیری‌شده. استاندارد IEEE C57.12.00 اجازه می‌دهد که امپدانس اندازه‌گیری‌شده یک ترانسفورمر دو سیم‌پیچی از مقدار اعلام‌شده تا 7.5% به‌علاوه یا منهای آن مقدار متفاوت باشد. در یک واحد که امپدانس آن 5.75% اعلام شده است، تست روتین می‌تواند بین 5.32% تا 6.18% باشد و همچنان ترانسفورمر مطابق باشد. در تبدیل به جریان اتصال کوتاه در 480 V، این مقدار در یک انتها 45.2 kA و در انتهای دیگر 38.9 kA است.

هیچ‌یک از این اعداد اشتباه نیستند. مشکل این است که یک مطالعه که با 5.75% انجام شده است، توصیف‌کننده‌ی یک ایمپدانس ترانسفورمر است که ممکن است هرگز ساخته نشده باشد. هنگامی که ما یک گزارش تست روتین تحت استاندارد IEEE C57.12.90 صادر می‌کنیم، امپدانس اندازه‌گیری‌شده در جریان نامی در گزارش آمده است. آن مقدار اندازه‌گیری‌شده را به مهندس مطالعه بدهید و محاسبه دیگر تغییر نمی‌کند. هنگامی که مشتری پنجره‌ای تنگ می‌خواهد، ما معمولاً می‌توانیم آن را با تنظیم هندسه سیم‌پیچی و ارتفاع پنجره هسته نگه داریم، اما این کار هزینه مس و هزینه هفته‌ها زمان دارد، و این امر ارزش آگاهی قبل از سفارش خرید را دارد نه بعد از آن.

اثری از مرتبهٔ دوم وجود دارد که برای افراد غیرمنتظره است. امپدانس پایین‌تر به معنای نیروهای مکانیکی بیشتر روی سیم‌پیچ‌ها در حین خطا و جریان عبوری بیشتر از خطا در دستگاه بالادستی است. یک دستگاه که با درصد امپدانس ۵٫۴ درصد به جای ۵٫۷۵ درصد ساخته شده، صرفاً دستگاهی کارآمدتر نیست، بلکه دستگاهی با بار وظیفهٔ مختلف در شرایط اتصال کوتاه است و اثبات این بار وظیفه در استاندارد آی‌ئی‌سی ۶۰۰۷۶-۵ آمده است.

 

زمان قطع خطا اهرمی است که در بیشتر پروژه‌ها نادیده گرفته می‌شود.

انرژی حادثه تقریباً به‌صورت خطی با زمان قوس‌زدن همراه است. خطا‌ای که توسط فیوز محدودکنندهٔ جریان در ۰٫۱ ثانیه قطع می‌شود، تقریباً یک‌پنجم انرژی خطا‌ای را منتقل می‌کند که توسط یک قطع‌کنندهٔ حرارتی-مغناطیسی در منحنی زمان بلند خود به مدت ۰٫۵ ثانیه نگه داشته می‌شود. ترانسفورماتور یکسان، جریان در دسترس ۴۱٫۸ کیلوآمپر یکسان، و فردی در مکان یکسان: در یک حالت، مجموعه‌ای با ظرفیت ۸ کالری بر سانتی‌مترمربع مورد نیاز است و در حالت دیگر، لباسی مورد نیاز است که هیچ‌کس در ماه جولای دوست ندارد آن را بپوشد.

به همین دلیل است که مطالعهٔ هماهنگی و مطالعهٔ جرقهٔ قوسی باید توسط یکسان‌ترین افراد خوانده شوند. تنظیم کنندهٔ قطع‌کننده به‌گونه‌ای بالا که بتواند از جریان راه‌اندازی ترانسفورماتور بعدی عبور کند، ممکن است زمان قطع فیدر را به‌طور کامل از یک ثانیه تجاوز دهد. رلهٔ خطا در زمین که در یک سیستم ۴۸۰ ولتی با منبعی به ظرفیت ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپر روی ۱۲۰۰ آمپر تنظیم شده است، ممکن است هرگز خطای قوسی سطح پایینی را تشخیص ندهد و خطا تا زمانی که عامل دیگری آن را قطع کند، ادامه پیدا کند. کلیدهای حالت نگهداری و قفل‌بندی انتخابی منطقه‌ای برای بازگرداندن این زمان طراحی شده‌اند و تنها در صورتی کمک‌کننده هستند که تنظیمات مستند شده باشند و برچسب آن‌ها را منعکس کند.

برچسب‌ها در دو جهت پیر می‌شوند. ارتقای ترانسفورماتور جریان را افزایش می‌دهد؛ جایگزینی رله یا اعمال تنظیم هماهنگی می‌تواند زمان را کاهش دهد. ما وارد کارخانه‌هایی شده‌ایم که مطالعهٔ انجام‌شده پنج سال پیش بوده، ظرفیت برق‌رسانی دو برابر شده و برچسب روی تجهیزات هنوز عدد اصلی را نشان می‌دهد. بند ۱۱۰٫۱۶ NEC الزام می‌کند که برچسب در محل وجود داشته باشد. OSHA 1910.269 و قوانین عمومی برق صنعت فرض می‌کنند که تحلیل خطر پشت هر انتخاب تجهیزات حفاظت فردی (PPE) قرار دارد، و هیچ‌چیز در این قوانین الزامی ندارد که کسی متوجه شود چسب برچسب زمانی که نادرست می‌شود.

 

 

 

کاری که ما انجام می‌دهیم وقتی مشتری پنجره امپدانس را مشخص می‌کند

بررسی طراحی ما با جریان اتصال کوتاهی که تجهیزات مشتری واقعاً می‌توانند تحمل کنند، آغاز می‌شود، نه با درصدی که ترجیح داده می‌شود. اگر تجهیزات قطع و وصل (switchgear) برای ۲۲ کیلوآمپر رتبه‌بندی شده باشد و ظرفیت مورد نیاز سایت ۲۰۰۰ کیلوولت‌آمپر باشد، معمولاً واحدی با امپدانس در محدوده ۶٫۵ تا ۷ درصد پیشنهاد می‌کنیم و جریمه کوچکی در تنظیم ولتاژ را می‌پذیریم، یا بار را بین دو سرویس تقسیم می‌کنیم تا هر ترانسفورماتور تجهیزاتی را تغذیه کند که برای سطح اتصال کوتاه خودش رتبه‌بندی شده است. هر دو گزینه ارزان‌تر از تعویض تابلوی قطع و وصلی است که پیش از انتخاب ترانسفورماتور مشخص شده است.

از سال ۲۰۲۳ شرکت رایان الکتریک به‌عنوان شریک مشترک اتن (Eaton) فعالیت می‌کند، و انضباط تهیه نقشه‌ها که با این همکاری همراه شده است، دلیل این است که ما در مقابل مشخصاتی که امپدانسی را بدون تحمل (tolerance) و بدون مقدار آزمایشی اندازه‌گیری‌شده ذکر می‌کنند، واکنش نشان می‌دهیم.

ما همچنین صفحات آزمون‌های روتین را با هر دستگاه ارائه می‌دهیم: نسبت ترانسفورماتور، مقاومت پیچش، امپدانس، تلفات بدون بار، تلفات تحت بار و اعداد افزایش دما از آزمون عملکرد حرارتی. این‌ها داده‌های ورودی مورد نیاز برای مطالعه قوس الکتریکی (arc flash) هستند و از منحنی امپدانس کاتالوگ مفیدترند. واحدهای خشک‌نوع برای پروژه‌های آمریکای شمالی با علامت‌گذاری UL یا cULus (بسته به دسته‌بندی) از کارخانه خارج می‌شوند و سفارشات کانادایی دارای علامت‌گذاری CSA هستند. استاندارد پشت این علامت‌گذاری، حاشیه‌های طراحی را تغییر می‌دهد و تأثیری در ادعاهای مجاز روی پلاک نامی دارد.

استدلال زمان‌بندی نیز وجود دارد. اگر مطالعه پس از ساخت ترانسفورماتور انجام شود و نتیجه نشان دهد که امپدانس باید تغییر کند، دستگاه منسوخ می‌شود و پروژه از نو در صفی آغاز می‌شود که برای رده‌های ولتاژ متوسط بیش از یک سال طول می‌کشد. بررسی بیست دقیقه‌ای در مرحله پیشنهاد قیمت، نسخه ارزان‌تر این گفت‌وگو است.

 

چک‌لیست پیش‌ازمطالعه برای مشخصات ترانسفورماتور

این موارد را به مهندس مطالعاتی بدهید تا محاسبه دیگر به مذاکره تبدیل نشود.

آیتم مشخصات	چه چیزی بنویسیم	دلیل نیاز مطالعه به آن
ولتاژ اولیه و ثانویه	مقدار اسمی سیستم به علاوه محدوده تنظیم تپ	جریان پایه را در هر دو طرف تعیین می‌کند
kVA	حداکثر تقاضا با در نظر گرفتن رشد برنامه‌ریزی‌شده، نه عادت استفاده از مقادیر نامی روی پلاک	بزرگی جریان اتصال کوتاه را تعیین می‌کند
مقاومت	درصد امپدانس اسمی به علاوه پنجره تحمل قابل قبول	به جای یک عدد، محدوده‌ای برای جریان اتصال کوتاه ارائه می‌دهد
پیکربندی سیم‌پیچی	اتصال دلتا-ستاره یا دلتا-دلتا و گروه برداری	جریان اتصال کوتاه به زمین و مسیر آن را تعیین می‌کند
گزارش تست	درصد امپدانس اندازه‌گیری‌شده در جریان نامی از آزمون‌های معمول	جایگزین کردن مقدار طراحی با مقدار واقعی
دستگاه حفاظت در برابر جریان اضافی	نوع، شاسی، ظرفیت، تنظیمات و زمان پیش‌بینی‌شده برای قطع جریان	مستقیماً در انرژی حادثه ضرب می‌شود
برچسب	برچسب NEC 110.16 که نتایج مطالعه و مرز تجهیزات حفاظتی شخصی (PPE) را نشان می‌دهد	آنچه الکتریسیان در محل واقعاً می‌خواند

دو سطر نیازمند بحث در جلسه طراحی هستند: پنجره امپدانس و زمان قطع. سایر موارد حقایقی هستند که یا از قبل در دسترس‌اند یا می‌توان آنها را از شرکت تأمین‌کننده برق به‌دست آورد. دو موردی که اغلب نادیده گرفته می‌شوند، همان دو موردی هستند که عدد نهایی را تغییر می‌دهند.

 

وضعیت فعلی مشخصات شما

یک فلش قوس برچسب تصویری از سه عامل است: ترانسفورماتور، تنظیم کلید، و فاصله کاری. تغییر هر یک از این سه عامل، منجر به منسوخ شدن برچسب می‌شود. ارزان‌ترین راه برای نگه‌داشتن آن به‌روز، مشخص‌کردن واحدی است که میزان سهم آن در جریان اتصال کوتاه قابل پیش‌بینی باشد، امپدانس آن در گزارش آزمون اندازه‌گیری شده باشد، تحمل آن مستند شده باشد، و پیکربندی پیچشی آن بر اساس درخواست مهندس انجام‌دهنده مطالعه (نه فرض او) تعیین شده باشد.

اگر برای پروژه‌ای که باری را منتقل می‌کند، در حال انتخاب ترانسفورماتور هستید، فلش قوس مطالعه را به ما ارسال کنید؛ ولتاژ ثانویه، ظرفیت کیلوولت‌آمپری (kVA)، رتبه‌بندی تجهیزات متصل به خروجی و امپدانسی را که شرکت توزیع برق منطقه‌تان ترجیح می‌دهد، ارسال نمایید. ما پیشنهادی ارائه خواهیم داد که محدوده جریان اتصال کوتاه و مقادیر آزمایشی مربوطه را مشخص می‌کند، نه صرفاً درصد امپدانس روی پلاک ترانسفورماتور. با تیم مهندسی از طریق صفحه تماس ارتباط برقرار کنید تبدیل‌کننده‌های سه فاز نصب شده بر روی پاد و ترانسفورماتورهای نوع خشک یا برای مشاهده کلاس‌هایی که تا ولتاژ ۴۴ کیلوولت و ظرفیت ۱۰۰۰۰ کیلوولت‌آمپر ساخته‌ایم، مرور کنید.

 

درباره نویسنده

این مقاله توسط تیم مهندسی کاربردی شرکت رایان الکتریک (شرکت الکتریک جیانگسو رایان، محدوده) تهیه شده است؛ یک سازنده ترانسفورماتور در چین که از سال ۲۰۰۷ ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن، خشک و نصب‌شده روی پاد را به آمریکای شمالی، خاورمیانه، جنوب شرق آسیا و آفریقا عرضه می‌کند. این تیم سؤالات مربوط به امپدانس، ظرفیت تحمل اتصال کوتاه و هماهنگی حفاظتی را برای واحدهای سفارشی سه‌فاز بررسی می‌کند و اسناد آزمون‌های معمول و نوع را تهیه می‌نماید، همچنین بسته‌های گواهی‌نامه UL / cULus / CSA / IEEE / IEC را برای پروژه‌های شرکت‌های توزیع انرژی، مراکز داده و صنعتی آماده می‌سازد. بازبینی نقشه‌ها و پرسش‌های مربوط به مشخصات فنی را می‌توان از طریق فرم تماس در www.ryantransformers.com ارسال نمود. آخرین بازبینی: اکتبر ۲۰۲۶.

افشا: شرکت رایان الکتریک ترانسفورماتورهای مورد بحث در این مقاله را تولید و عرضه می‌کند. ارجاعات به کدها و استانداردها (NEC 110.16، IEEE C57.12.00، IEEE C57.12.90، IEEE 1584، NFPA 70E، IEC 60076-5) صرفاً برای بحث‌های مهندسی خلاصه شده‌اند. مقادیر انرژی حاصل از انفجار قوس الکتریکی باید از یک مطالعهٔ انجام‌شده توسط یک مهندس صلاحیت‌دار برای نصب خاص مربوطه به‌دست آید.