فهرست مطالب
مقدمه
چرا در شارژر یک خودروی برقی نیاز به وسیلهای برای حفاظت جریان نشتی داریم؟ راننده یک خودروی برقی هنگام شارژ خودروی خود با تجهیزاتی مانند بدنه شارژر یا کانکتور شارژ در تماس و تعامل مستقیم است. همچنین، داخل یک خودروی برقی انواع تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی حساس و گرانقیمت مانند انواع پردازشگرها (یا همان پروسسورها Processors) در بخشهای مختلف خودرو، اینورتر، موتور الکتریکی، مجموعه باتری، صفحه نمایش جلوی راننده (Instrument Cluster)، صفحه نمایش مرکزی مالتیمدیا (یا صفحه نمایش اطلاعات یا Multi-Media Display یا Infotainment Display) و سایر تجهیزات الکترونیکی وجود دارند که باید از خطراتی مانند اتصال کوتاه، ولتاژ بالای ناشی از صاعقه، ولتاژ بالای ناشی از الکتریسیته ساکن، هارمونیکهای جریان ناشی از بارهای غیرخطی و غیره محافظت گردند.
بنابراین، سازندگان شارژر باید تمام تمهیدات حفاظتی لازم برای پیشگیری از خطر برقگرفتگی هنگام تماس با سطوح در دسترس و همچنین حفاظت از تجهیزات الکترونیکی داخل خودرو را درنظر بگیرند. با این مقدمه، وسیله حفاظت جریان نشتی وظیفه تشخیص وجود جریان نشتی و قطع سیستم شارژ در صورت عبور آن از آستانه خطرناک را دارد.
هنگام مطالعه مشخصات فنی یک شارژر خودروی برقی، حتماً به عباراتی همچون «دارای حفاظت جریان نشتی نوع A»، «دارای RCD نوع B» یا «Leakage Protection RCD Type B» برخورد کردهاید. در این مطلب، به بررسی تعریف این عبارات همچنین و انواع حفاظت جریان نشتی میپردازیم.
تعریف حفاظت جریان نشتی
جریان نشتی چیست؟
طبق اصول مدارهای الکتریکی در حالت عادی یک مدار، جریان ورودی از مسیر فاز با جریان برگشت از مسیر نول برابر است. به عنوان مثال، شکل 1 نشان میدهد که جریان ورودی 10 آمپر به یک شارژر از مسیر فاز، به همان مقدار از مسیر نول برمیگردد.
شکل 1 – عبور جریان از کلید حفاظت جریان نشتی در وضعیت نرمال مدار
اما در شکل 2 ملاحظه میکنید که در صورت تماس شخص با یک بخش هادی فرضی از شارژر، مسیر دومی برای برگشت جریان ایجاد میشود. طبق اصول مدارهای الکتریکی، تقسیم جریان بین این دو مسیر به نسبت عکس مقاومت الکتریکی صورت میپذیرد. یعنی هر چه مقاومت مسیر ارت کمتر باشد، جریان عبوری از مسیر بدن شخص به سمت زمین نسبت به جریان برگشت از مسیر نول بیشتر خواهد بود.
در مثال زیر، 50 میلیآمپر از 10 آمپر از مسیر بدن شخص مسیر مداری خود را به سمت مرجع پتانسیل صفر این مدار یا همان چاه سیستم ارت بسته است که این مقدار جریان از دید برقگرفتگی بدن انسان، شروع آستانه خطرناک محسوب میگردد. همچنین، 9/95 آمپر از مسیر اصلی نول به منبع انرژی الکتریکی برگشته است.
شکل 2 – وضعیت تقسیم جریان هنگام برقگرفتگی در اثر تماس شخص با یک بخش فرضی بدون حفاظت از شارژر
وسایل حفاظت در برابر جریان نشتی
به بخشی از جریان مدار که به جای مسیر عادی از مسیر دیگری عبور کند، «جریان نشتی» یا «جریان باقیمانده» (Residual Current) میگویند. دلیل نامگذاری دوم، بدست آمدن این جریان از باقیمانده تفاضل جریان فاز و نول میباشد. دلایل معمول برای بروز جریان نشتی عبارتند از :
- تماس شخص با یک بخش هادی و بدون پوشش عایق از یک مدار الکتریکی (مانند هادی داخل کابلها، کانکتورها، بردهای داخلی و غیره)
- عایقبندی ضعیف
- نفوذ رطوبت و ایجاد مسیر اضافه برای عبور جریان از سطوح مرطوب
وظیفه حفاظت جریان نشتی این است که عدم تعادل در مدار را به صورت وجود تفاوت بین جریان فاز و نول تشخیص و به نسبت مقدار این تفاوت، واکنش لازم را نشان دهد. به وسیله اندازهگیریکننده تفاضل بین جریان فاز و نول، RCD مخفف Residual Current Device میگویند. این وسیله فقط وظیفه تشخیص عدم تعادل و ارسال سیگنال لازم را بر عهده دارد. اما وظیفه دریافت سیگنال از RCD و قطع مدار در صورت رسیدن جریان نشتی به آستانه خطرناک، بر عهده کلید RCCB (مخفف Residual Current Circuit Breaker که به آن کلید مدارشکن یا فیوز مدارشکن نیز میگویند) میباشد. لازم به ذکر است که RCD قابلیت تشخیص اضافه بار (Overload) و اتصال کوتاه (Short-Circuit) را ندارد. وسیلهای که ترکیب تمام حفاظتهای فوق را به صورت همزمان انجام دهد، RCBO مخفف Residual Current Breaker with Overcurrent نام دارد.
ساختار کلید حفاظت جریان نشتی
شکل 3 ساختار داخلی یک کلید حفاظت جریان نشتی RCD که در شارژرهای AC خودروهای برقی نصب میگردد را نشان میدهد :
شکل 3 – ساختار داخلی RCD حفاظتی داخل شارژر AC خودروهای برقی
دو سیمپیچ (یا کویل) حاوی جریان فاز و نول که دور یک هسته مشترک پیچیده شدهاند، از لحاظ جنس و مقطع سیم و تعداد دور دقیقاً مشابه یکدیگرند. اما جهت سیمپیچی آنها درست عکس یکدیگر است. بنابراین در حال تعادل که جریان فاز و نول برابر است، شار میدان مغناظیسی یکدیگر را خنثی میکنند و در هسته مغناطیسی مشترک نیز شاری القاء نمیگردد. پس در سیمپیچ جستجو (Search Coil) که دور همین هسته مشترک پیچیده شده نیز جریانی القاء نمیگردد.
اما هنگام بروز جریان نشتی، جریان فاز و نول با یکدیگر برابر نیستند و در سیمپیچ جستجو، جریان القاء میگردد. اگر این جریان از آستانه خطرناک (معمولاً 30 میلیآمپر) بیشتر باشد، پردازشگر سیگنال (Signal Processor) به سیمپیچ قطع مدار (Trip Coil) فرمان قطع همزمان مدارهای فاز و نول را میدهد.
انواع کلید حفاظت جریان نشتی
مطابق شکل 4 بر پایه نوع شکل موج جریان، کلیدهای RCD به انواع زیر تقسیم میشوند :
نوع AC
سادهترین و ارزانترین نوع کلید RCD است که فقط محفاظت در برابر جریان نشتی با شکل موج سینوسی کامل را انجام میدهد.
نوع A
این نوع RCD علاوه بر حفاظت نوع A، حفاظت در برابر جریان DC پالسی را هم پوشش میدهد و برای یکسوساز (Rectifier) های تکفاز مناسب است.
نوع F
RCD نوع F علاوه بر تمام حفاظتهای نوع A، جریانهای نشتی با فرکانسهای مختلف تا سقف 1 کیلوهرتز را نیز پوشش میدهد و برای حفاظت مبدلهای فرکانس (Frequency Converter) تکفاز مناسب میباشد.
نوع B
کاملترین و گرانترین کلید حفاظت جریان نشتی RCD که در شارژرهای نوع AC خودروهای برقی کاربرد دارد، نوع B است. این نوع علاوه بر تمام سطوح حفاظتی انواع قبلی، قابلیت تشخیص جریانهای DC با شکل موج کاملاً صاف را نیز دارد و برای حفاظت از یکسوسازهای سهفاز مناسب میباشد.
در کلیدهای RCD نوع B، معمولاً آستانه قطع مدار یا تریپ (Trip) برای جریان نشتی متناوب AC برابر 30 میلیآمپر است. چون هنگام تماس شخص با سطوح هادی بدون حفاظت و بروز برقگرفتگی، عبور 50 میلیآمپر جریان از بدن انسان خطر مرگ را به همراه دارد و انتخاب آستانه 30 میلیآمپر، حاشیه امن (Safe Margin) کافی و ایمن تا آستانه خطر 50 میلیآمپر را فراهم میآورد. همچنین، آستانه قطع کلید برای جریان نشتی یکسوی DC برابر 6 میلیآمپر است که آستانه خطرناک برای تجهیزات الکترونیکی حساس محسوب میگردد.
شکل 4 – انواع حفاظت جریان نشتی
نتیجهگیری
رانندگان خودروهای برقی در تماس و تعامل با اجزای شارژر شامل بدنه و گان (Gun) شارژ هستند. علاوه براین، وجود تعداد زیادی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی حساس و گرانقیمت در خودروهای برقی، لزوم نصب سیستمهای حفاظتی مانند کلید RCD را در پی دارد که همزمان ایمنی جانی افراد و حفاظت از سیستمهای حساس و با ارزش خودرو را بر عهده دارند.