تابلو برق چیست؟ | کاربرد وانواع تابلو برق صنعتی

در یک سیستم قدرت، به مجموعه سوییچ‌ها، فیوزها و دژنکتورها که برای حفاظت، کنترل، ایزوله کردن مدار و خاموش و روشن کردن به کار می‌روند، تابلو برق switchgear می‌گویند. تابلو برق switchgear هم برای تأمین انرژی تجهیزات برای کار و هم برای پاک‌سازی خطاهای پایین دست استفاده می‌شود. این وسیله مستقیماً به قابلیت اطمینان منبع تغذیه وابسته است.

ایستگاه‌های قدرت مرکزی اولیه از کلیدهای چاقویی ساده که روی سنگ مرمر یا پنبه نسوز نصب شده بود استفاده می‌کردند.  تشدید سریع سطوح توان و ولتاژ سبب می‌شود تا باز کردن سوییچ‌های دستی به هر روش به جز ایزولاسیون مدار بی‌برق، بسیار خطرناک شود. کلیدهای قدرت غرق شده در روغن انرژی آرک را کنترل می‌کنند. در اوایل قرن بیستم خط تولید تابلوبرق‌ها شامل سازه فلزی، المان‌های سوییچینگ الکتریکی و دژنکتورهای روغنی بود. امروزه بیشتر تجهیزات روغنی با کلیدهای هوایی، خلاء یا SF₆ جایگزین شده اند و می‌توانند به خوبی سطوح توان و جریان بزرگ را توسط تجهیزات اتوماتیک کنترل کنند.

تابلوهای فشار قوی در اواخر قرن نوزده برای موتورها و سایر ماشین‌های الکتریکی ساخته شدند. تکنولوژی در گذر زمان پیشرفت کرد و الان این تابلوها تا ولتاژ 1,100 kV مورد استفاده قرار می‌گیرند.

معمولاً تابلوهای پست برق بر هر دو طرف فشار قوی و فشار ضعیف ترانس‌های قدرت بزرگ قرار دارند. تابلوی روی ترانس فشار ضعیف می‌تواند در ساختمانی به همراه دژکنتورهای فشار متوسط برای مدارات توزیع و تجهیزات اندازه‌گیری، کنترل و حفاظت، تعبیه شود. ممکن است ترانس و تابلو برق switchgear برای کاربری های صنعتی در یک محفظه تعبیه شوند که به آن پست واحد (USS) می‌گویند. طبق آخرین تحقیقات موسسه ویژن‌گِین (Visiongain) که در زمینه بازار تحقیق می‌کند، انتظار می‌رود که بازار جهانی تابلوبرق تا سال 2029 به فروشی برابر 152.5 میلیارد دلار با 5.9% نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) رسیده و افزایش سرمایه گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر و تقاضای بیشتر برای سیستم‌های توزیع برق ایمن و حفاظت شده باعث ایجاد این افزایش شود.

اجزاء تابلو برق صنعتی:

در یک مجموعه تابلو برق صنعتی دو نوع المان وجود دارد:

• المان‌های رسانای قدرت: مانند سوییچ‌ها، دژنکتور، فیوز و ارستر(صاعقه گیر) که شار توان الکتریکی را برقرار یا قطع می ‌کنند.
• سیستم‌های کنترل مانند کنترل پنل‌ها، ترانس‌های جریانی، ترانس‌های ولتاژی، رله‌های حفاظتی، و مدارات کمکی که اجزای رسانای قدرت کنترل و حفاظت می‌کنند.

کارایی تابلو برق صنعتی :

یکی از کاربردهای اصلی تابلو، حفاظت است که در زمان اتصال کوتاه یا خطای جریان هنگام سرویس دهی به مدارات بی‌اثر، قطع می‌کند. همچنین مدار را در مقابل منبع تغذیه ایزوله می‌کنند. تابلوها همچنین قابلیت استفاده از سیستم را با امکان اتصال چند منبع تغذیه به بار، بالا می‌برند.

تاریخچه

تابلوها به اندازه تولید الکتریسیته قدمت دارند. مدل‌های اولیه بسیار ابتدایی بودند: تمامی تجهیزات به دیوار فیکس می‌شدند. بعدها روی پنل‌های چوبی نصب شدند. به دلیل محافظت در مقابل آتش‌سوزی، چوب با سنگ لوح یا مرمر جایگزین شد. کم‌کم پیشرفت‌هایی صورت گرفت و تجهیزات اندازه‌گیری و کلیدزنی در مقابل و سیم بندی در پشت قرار گرفت. کلید اهرمی با فیوز معمولی، ساده‌ترین نوع تابلو بود و برای کنترل و حفاظت لامپ‌ها و سایر اجزا در منازل، دفاتر و… استفاده می‌شد. برای مدارات مهم‌تر، یک فیوز کاردی (HRC) متصل به یک سوییچ  وظیفه کنترل و حفاظت مدار را به عهده داشت. هرچند استفاده از چنین تابلویی نمی‌تواند مقرون به صرفه باشد.

محفظه تابلو برق ها به چه صورت است؟

تابلوها ممکن است برای همیشه در یک ساختمان نصب شوند. برای ولتاژهای بالاتر (بالاتر از 66kV)، تابلو را دربیرون نصب می‌کنند و با هوا عایق می‌شود، البته این کار فضای بزرگی نیاز دارد. تابلوهای عایق شده با گاز فضای کمتری نسبت به تجهیزات عایق شده با هوا اشغال می‌کنند، ولی گران‌تر است. تابلوی عایق شده با روغن، خطر نشت روغن دارد.

سوییچ‌ها ممکن است دستی یا توسط موتور درایو از راه دور کنترل شوند.

انواع دژنکتور (تابلو برق)

یک تابلو برق می‌تواند یک سوییچ ایزولاتور ساده در فضای باز یا عایق شده توسط مواد دیگری باشد. یک فرم مؤثر و به تَبَع آن گران قیمت، تابلوی عایق شده با گاز (GIS) می‌باشد که  رساناها و کنتاکت‌ها توسط هگزافلوراید سولفور (SF₆) تحت فشار عایق شده‌اند. سایر نمونه‌های معمول توسط روغن یا خلاء عایق شده‌اند. مجموعه قطعات و اجزاء داخلی تابلو می‌تواند، هزاران آمپر خطای جریان را قطع کند. یک دژنکتور درون تابلو از مهم‌ترین اجزای آن است که خطای جریان را قطع می‌کند. خاموش کردن آرک (قوس الکتریکی)، زمانی که دژنکتور کلیدها را قطع می‌کند (مدار را قطع می‌کند) نیازمند طراحی دقیق است. دژنکتورها به 6 دسته تقسیم می‌شوند:

روغنی

دژکنتورهای روغنی از طریق تبخیر مقداری از روغن برای انفجار جت روغن در طول مسیر آرک استفاده می‌کنند. بخار آزاد شده توسط جرقه متشکل از گاز هیدروژن است. روغن معدنی (روغنی که از تقطیر نفت به دست می‌آید و بی‌رنگ و بدون بو است) ویژگی‌های عایقی بهتری نسبت به هوا دارد. هرگاه کنتاکت‌های جریان در روغن قطع شود، در دژنکتور در لحظه جداسازی کنتاکت‌ها آرک مقدار اولیه‌ای پیدا می‌کند و روغن به سبب جرقه بخار شده و بیشتر در گاز هیدروژن تجزیه می شود و در نهایت حباب هیدروژن در اطراف قوس الکتریکی ایجاد می‌شود. این حباب بسیار فشرده گاز اطراف آرک از برخورد مجدد جرقه پس از عبور جریان صفر از چرخه جلوگیری می کند. دژنکتور روغنی از قدیمی‌ترین انواع آن است.

کلید هوایی

کلید هوایی ممکن است از هوای فشرده یا نیروی مغناطیسی خود آرک در امتداد آرک استفاده کنند. از آنجایی که طول یک آرک پایدار به ولتاژ موجود وابسته است، آرک در امتداد خودش از بین می‌رود. از سوی دیگر کنتاکت‌ها به سرعت به داخل یک محفظه کوچک بسته تناوب می‌کنند، بنابراین هوای در حال فرار جابجا شده در نهایت منجر به انفجار جرقه می‌شود.

دژنکتورها معمولاً می‌توانند شار جریان را به سرعت محدود کنند: بسته به سن و ساختمان تجهیز معمولاً بین 30ms و 150ms

کلید گازی

دژنکتورهای گازی (SF₆) گاهی با استفاده از میدان مغناطیسی قوس را می‌کشند، و بعد با استفاده از خاصیت دی‌الکتریکی گاز (SF₆) آرک کشیده شده را خاموش می‌کنند.

هیبریدی (ترکیبی)

تابلو برق ترکیبی نوعی است که تکنولوژی اجزای تابلوهای سنتی عایق هوا (AIS) و SF₆ و تابلوهای عایق گاز (GIS) را با هم ترکیب می‌کند. طراحی جمع و جور و مدولار خاصی دارد، که چندین عملکرد مختلف در یک ماژول را در بر می‌گیرد.

کلید خلاء

دژنکتور با قطع کنندگی خلاء حداقل ویژگی‌های قوس الکتریکی را دارد (زیرا به غیر از ماده تماس، چیزی برای یونیزه کردن وجود ندارد)، بنابراین وقتی قوس کم کشیده می‌شود (<2-8 میلی متر) جرقه خاموش می‌شود. حدود جریان صفر، آرک آنقدر داغ نیست تا بتواند پلاسما را حفظ کند، و جریان متوقف می‌شود؛ این شکاف اما می‌تواند در برابر ولتاژ بالا ایستادگی کند. دژنکتورهای  خلاء بر خلاف دیگر مدل‌ها مکرراً در تابلوهای ولتاژ متوسط تا 40500ولت به کار می‌روند، آنها ذاتاً برای قطع خطای DC مناسب نیستند. دلیل نامناسب بودن کلید خلاء برای قطع ولتاژ DC فشار قوی آن است که در DC دیگر دوره جریان صفری وجود ندارد. جرقه پلاسما می‌تواند خودش را توسط ادامه تبخیر کردن مواد تماس، تغذیه کند.

کربن دی‌اکسید (CO₂)

دژنکتورهایی که از کربن دی‌اکسید جهت عایق و خاموش کردن آرک استفاده می‌کنند، کارکردی مشابه دژنکتورهای هگزافلوراید گوگرد (SF₆) دارند. از آنجایی که SF₆ یک گاز گلخانه‌ای که به مراتب قوی‎‌تر از CO₂ می‌باشد، با استفاده از CO₂ به جای SF₆ احتمال کاهش آلایندگی گاز گلخانه‌ای تا 10تن در چرخه کاری این قطعه وجود دارد.

مدارات حفاظت

دژنکتور و فیوزها

زمانی که جریان از سطح ایمن از پیش تعیین شده گذر کند، دژنکتورها و فیوزها قطع می‌شوند. هرچند این قطعات نمی‌توانند سایر خطاهای اساسی مانند جریان نامتعادل به عنوان مثال زمانی که سیم‌پیچی به زمین متصل می‌شود را شناسایی کنند. دژنکتورها و فیوزها نمی‌توانند بین اتصال‌کوتاه و اوج مصرف برق تمیز دهند.

طرح چرخه جریان مِرز-پرایس (Merz-Price circulating current scheme)

حفاظت دیفرانسیل بر طبق قانون جریان کیرشهف انجام می‌شود که می‌گوید جمع جریان‌های وارد شده به یک گره و یا جریان‌های خروجی آن گره باید صفر شود. زمانی که از این قانون برای پایه‌ریزی حفاظت دیفرانسیل استفاده می‌کنیم، هر نقطه‌ای در مسیر رسانا می‌تواند یک گره تلقی شود. مسیر رسانا می‌تواند خط انتقال، سیم‌پیچ ترانس‌، سیم‌پیچی موتور، سیم‌پیچ استاتور یا دینام باشد. این فرم حفاظت زمانی بهترین بازده را دارد که هر دو طرف مسیر رسانا به صورت فیزیکی به هم متصل شده باشند. این طرح توسط Charles Hesterman Merz و Bernard Price در بریتانیای کبیر کشف شد.

دو ترانس جریانی همسان برای هر سیم‌پیچی ترانسفورماتور، استاتور، یا سایر تجهیزات به‌کار رفته است. ترانسفورماتورهای جریانی در طرف مقابل انتهای هر سیم‌پیچی قراردارند که جریان آنها باید برابر باشد. یک رله حفاظتی هرگونه عدم تعادلی را تشخیص داده و دژنکتور را برای ایزوله کردن تجهیز قطع می‌کند. در مورد ترانس، دژنکتور در هر دو طرف اولیه و ثانویه باز می‌شوند.

رله حفاظت دیستانس (مسافت) Distance relays

اتصال کوتاه در آخر یک خط انتقال طولانی مشابه یک بار معمولی رخ می‌دهد، چرا که امپدانس خط انتقال خطای جریان را محدود می‌کند. رله دیستانس خطا را با قیاس ولتاژ و جریان خط انتقال، تشخیص می‌دهد. جریان زیاد همراه با افت ولتاژ نشان دهنده یک خطا است.

طبقه‌بندی تابلو برق

تابلو برق در طبقه‌بندی‌های متفاوتی می‌تواند ساخته شود.

• طبقه‌بندی جریانی
• میزان قطع (حداکثر اتصال‌کوتاه جریان کیلو آمپر قطع kAIC که می‌تواند با قطع ایمن تحمل کند)
• دژنکتورها می‌تواندد در زمان خطای جریان، باز و بسته شوند
• در زمان قطع بار/ وجود بارکلیدها می‌توانند جریان‌های بار سیستم نرمال را سوییچ کنند
• ایزولاتورها قطع‌کننده‌های بدون باری هستند که بعد از دژکنتورها یا زمانی که جریان بسیار کوچک باشد، کار می‌کنند
• طبقه‌بندی ولتاژی:
• فشار ضعیف (کمتر از 1 kV AC)
• فشار متوسط (1 kV AC تا تقریباً 75 kV AC)
• فشار قوی (75 kV AC تا تقریباً 230 kV AC)
• فوق فشار قوی (بیشتر از 230 kV AC)
• عایق‌بندی متوسط

• هوا
• گازی (SF₆ یا ترکیبی)
• روغنی
• خلاء
• کربن دی‌اکسید (CO₂)
• بر اساس نوع ساختمان
• داخل سالن یا زیر سقف (بیشتر بر اساس درجه حفاظت (IP) یا محفظه مدل انجمن ملی تولیدکنندگان برق ایالات متحده NEMA)
• در فضای باز
• صنعتی
• تاسیسات
• دریایی
• المان‌های قابل جداسازی (بدون تجهیزات زیاد)
• المان‌های فیکس شده
• Live-front
• Dead-front
• باز
• محفظه فلزی (ME) – تمام اطراف تابلو و سقف آن با صفحات فلزی بسته شده
• روکش فلزی (MC)- مدل گران‌تر تابلوی محفظه فلزی که این خصوصیات را دارد: تجهیز اصلی کلیدزنی و قطع متحرک؛ بَریرهای فلزی برای جداسازی و وصل تمام مدارات و قسمت‌های اصلی متصل به زمین؛ اینترلاک‌های مکانیکی؛ هادی‌های باس عایق شده و سایر ویژگی‌ها
• سلول
• مقاوم در برابر آرک
• بر اساس استاندارد جداسازی داخلی IEC
• بدون جداسازی
• باس‌بار (شینه) جدا شده از واحدهای عملگر
• ترمینال هادی‌های خارجی جدا شده از باس‌بار
• ترمینال هادی‌های خارجی جدا شده از واحدهای عملگر نه از یکدیگر
• واحدهای تابع جدا از یکدیگر
• ترمینال هادی‌های خارجی جدا از یکدیگر
• ترمینال هادی‌های خارجی جدا از واحد عملکردی مرتبط
• بر اساس تجهیز جدا کننده
• فیوزها
• کلید هوایی
• حداقل دژنکتور روغنی
• دژنکتور روغنی
• کلید خلاء
• دژنکتور گازی (SF₆)
• دژنکتور CO₂
• بر اساس متد کاری
• عملکرد دستی

• عملکرد موتوری/ باتری
• عملکرد سیم‌لوله
• بر اساس نوع جریان
• AC
• DC
• بر اساس کاربری
• سیستم انتقال
• توزیع
• بر اساس هدف
• سوییچ‌های ایزولاسیون (جدا‌کننده)
• کلیدهای قطع بار
• کلیدهای ارتینگ (زمین)

یک خط تولید ممکن است چندین مدل تجهیز تولید کند، به عنوان مثال: باس عایق شده با هوا، کلید خلاء، و سوییچ‌های دستی ممکن است همگی در سلول‌های مشابه قرار گیرند.

رتبه‌بندی، طراحی، مشخصات فنی و جزئیات تابلوبرق توسط استانداردهای زیادی صورت می‌گیرد. در شمال امریکا اغلب استانداردهای IEEE و ANSI، و بیشتر کشورهای جهان استانداردهای IEC و برخی مواقع تغییرات داخلی هر کشور را رعایت می‌کنند.

حفاظت تابلو برق چگونه است؟

برای اطمینان از توالی عملکرد ایمن تابلو برق، کلید اینترلاک با چفت درونی، سناریوی از پیش تعیین شده‌ای برای کار دارد. مثلاً اگر فقط یکی از دو منبع تغذیه در زمان مشخص مجاز به اتصال باشند، نقشه اینترلاک ممکن است به این صورت باشد که سوییچ اول باید باز باشد تا کلید را برای بستن سوییچ دوم آزاد کند. طرح‌های ترکیبی هم ممکن است وجود داشته باشند.

تابلوهای سالنی را می‌توان بر اساس مهار آرک داخلی تست کرد (مثلاً IEC 62271-200). از آنجایی که تابلوهای مدرن قابلیت سوییچینگ جریان بزرگ را دارند این تست برای ایمنی کاربر مهم است.

تابلوها اغلب با استفاده از دمانگاری برای ارزیابی وضعیت سیستم و پیش‌بینی خرابی قبل از وقوع بررسی می‌شوند. سایر روش‌ها شامل آزمایش تخلیه جزئی (PD) با استفاده از تسترهای فیکس شده یا قابل حمل، و آزمون انتشار آکوستیک با استفاده از ترانسدیوسرهای نصب شده (برای تجهیزات روغنی) یا ردیاب‌های اولتراسونیک در سوییچ‌یاردهای فضای باز می‌باشند. سنسورهای دما که روی کابل‌های تابلو نصب شده‌اند می‌توانند دائماً افزایش دما را کنترل کنند. تجهیزات SF₆ برای هشدار افت توان همیشه به آلارم‌ها و اینترلاک‌ها نصب هستند، و در صورتی که توان خیلی کم باشد جلوی عملیات را می‌گیرند.

بالارفتن آگاهی از خطرات مرتبط با سطوح بالای خطا سبب شده تا اپراتورهای شبکه، عملیات در بسته‌ای را برای سوئیچ های زمین و شکننده های رکینگ مشخص کنند. بسیاری از کارخانه‌های صنعت برق اروپایی اپراتورها را از استفاده از اتاق‌های سوییچ ممنوع کرده‌اند. سیستم‌های رکینگ از راه دور این اجازه را به کاربر می‌دهند تا تابلو را از راه دور بدون نیاز به پوشیدن لباس ایمنی مخصوص فلشِ آرک، رک (قطع یا وصل دژنکتور) کنند. سیستم های تابلو برق برای ایمن ماندن و استفاده کاملاً بهینه برای تأمین چنین ولتاژهای بالا به تعمیر و نگهداری مداوم و سرویس نیاز دارند.

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Switchgear