คำตอบโดยตรง
เส้นโค้ง I²t (พลังงานที่ยอมให้ผ่านได้) ของเซอร์กิตเบรกเกอร์แสดงถึงพลังงานความร้อนที่ไหลผ่านระหว่างการขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจร การอ่านเส้นโค้งนี้ทำได้ง่าย: หาค่ากระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดว่าจะเกิดขึ้นบนแกน X ลากเส้นขึ้นไปตัดกับเส้นโค้งของเบรกเกอร์ จากนั้นอ่านค่า I²t ที่สอดคล้องกันบนแกน Y ค่านี้ต้องน้อยกว่าความสามารถในการทนความร้อนของตัวนำ (K²S²) เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่ปลอดภัย ตัวอย่างเช่น เบรกเกอร์จำกัดกระแสไฟฟ้าขนาด 160A ที่ขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจร 100kA โดยทั่วไปจะจำกัด I²t ไว้ที่ประมาณ 0.48×10⁶ A²s ซึ่งป้องกันความเสียหายจากความร้อนของสายเคเบิลและบัสบาร์ที่อาจเกิดขึ้นภายในไม่กี่มิลลิวินาที.
I²t คืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญต่อความปลอดภัยทางไฟฟ้า
เมื่อเกิดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระบบไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างมากจะสร้างความร้อนสูงผ่านผลกระทบ I²R พลังงานความร้อนทั้งหมดที่ตัวนำดูดซับขึ้นอยู่กับทั้งขนาดของกระแสไฟฟ้าและระยะเวลาก่อนที่อุปกรณ์ป้องกันจะตัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร ความสัมพันธ์นี้แสดงเป็น I²t ซึ่งเป็นการอินทิกรัลของกระแสไฟฟ้ายกกำลังสองในช่วงเวลาที่วัดเป็นแอมแปร์ยกกำลังสองวินาที (A²s).
เซอร์กิตเบรกเกอร์จำกัดกระแสไฟฟ้ามีข้อได้เปรียบที่สำคัญ: ช่วยลดทั้งกระแสไฟฟ้าสูงสุดและเวลาในการตัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรอย่างมาก ตามมาตรฐาน IEC 60947-1 เส้นโค้งพลังงานที่ยอมให้ผ่านได้ (เรียกอีกอย่างว่าเส้นโค้งพลังงานที่ปล่อยผ่าน) จะระบุปริมาณความเค้นทางความร้อนที่เบรกเกอร์อนุญาตให้ตัวนำไฟฟ้าที่อยู่ปลายน้ำได้รับอย่างแม่นยำ การทำความเข้าใจและการใช้เส้นโค้งเหล่านี้จะช่วยป้องกันความร้อนสูงเกินไปของตัวนำ ความเสียหายของฉนวน และอันตรายจากไฟไหม้ที่อาจเกิดขึ้นในการติดตั้งระบบไฟฟ้า.
ระบบไฟฟ้าสมัยใหม่พึ่งพาพื้นที่หน้าตัดของตัวนำที่เล็กลงมากขึ้นเพื่อประสิทธิภาพด้านต้นทุน ทำให้การป้องกันความร้อนมีความสำคัญมากกว่าที่เคย สายเคเบิล PVC ขนาด 10 มม.² มาตรฐานสามารถทนได้เพียง 1.32×10⁶ A²s ก่อนที่ฉนวนจะเสียหาย แต่เบรกเกอร์ที่ไม่จำกัดกระแสไฟฟ้าอาจปล่อยให้พลังงานนี้ผ่านไปหลายเท่าในช่วงกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่มีขนาดสูง.
เซอร์กิตเบรกเกอร์จำกัดกระแสไฟฟ้าลดความเค้นทางความร้อนได้อย่างไร
ฟิสิกส์ของการจำกัดกระแสไฟฟ้า
เซอร์กิตเบรกเกอร์จำกัดกระแสไฟฟ้าใช้การแยกหน้าสัมผัสอย่างรวดเร็วร่วมกับห้องดับอาร์กแบบพิเศษ เมื่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเริ่มไหล หน้าสัมผัสของเบรกเกอร์จะเปิดภายใน 2-5 มิลลิวินาที ซึ่งมักจะเกิดขึ้นก่อนที่กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะถึงจุดสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นครั้งแรก แรงดันอาร์กที่สร้างขึ้นระหว่างการขัดขวางจะตรงข้ามกับแรงดันไฟฟ้าของระบบ ซึ่งเป็นการแทรกอิมพีแดนซ์เข้าไปในเส้นทางกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและ “สับ” รูปคลื่นกระแสไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพ.
การจำกัดกระแสไฟฟ้านี้ให้ประโยชน์ที่วัดได้สองประการซึ่งบันทึกไว้ในเอกสารข้อมูลของผู้ผลิต: กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ปล่อยผ่าน (Ip) และพลังงานที่ปล่อยผ่าน (I²t) ในขณะที่กระแสไฟฟ้าสูงสุดกำหนดความเค้นทางกลบนบัสบาร์ ค่า I²t จะควบคุมความเค้นทางความร้อนบนตัวนำทั้งหมดในเส้นทางกระแสไฟฟ้าลัดวงจร.
การเปรียบเทียบพลังงานไฟฟ้าลัดวงจรแบบจำกัดกับไม่จำกัด
พิจารณากระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดว่าจะเกิดขึ้น 100kA ในระบบที่ได้รับการป้องกันโดยอุปกรณ์ต่างๆ:
| **保护装置** | **检测对象** | **触发条件** | **预防项目** | **防护盲区** | เวลาเคลียร์ (Clearing Time) | กระแสไฟฟ้าสูงสุด | ค่า I²t | อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (บัสบาร์ 100×10 มม.) |
|---|---|---|---|---|
| ไม่มีการป้องกัน | ไม่มีข้อมูล | กระแสไฟฟ้าสูงสุด 141 kA | หายนะ | การกลายเป็นไอ |
| MCCB มาตรฐาน (หน่วงเวลาสั้นๆ) | 500 มิลลิวินาที | 100 kA RMS | ~5×10⁹ A²s | >500°C (ความล้มเหลว) |
| MCCB จำกัดกระแสไฟฟ้า (160A) | 8 มิลลิวินาที | กระแสไฟฟ้าสูงสุด 42 kA | 0.48×10⁶ A²s | 71°C (ปลอดภัย) |
| ฟิวส์จำกัดกระแสไฟฟ้า (160A) | 4 มิลลิวินาที | กระแสไฟฟ้าสูงสุด 38 kA | 0.35×10⁶ A²s | 70.5°C (ปลอดภัย) |
การเปรียบเทียบนี้แสดงให้เห็นว่าเหตุใดการป้องกันการจำกัดกระแสไฟฟ้าจึงมีความจำเป็นสำหรับการติดตั้งสมัยใหม่ที่มีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่สามารถใช้ได้สูง การลดลงของ I²t สามถึงสี่ลำดับความสำคัญจะเปลี่ยนเหตุการณ์ความร้อนที่ร้ายแรงให้เป็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่สามารถจัดการได้.
การอ่านเส้นโค้ง I²t: คู่มือทีละขั้นตอน
การทำความเข้าใจรูปแบบเส้นโค้ง
เอกสารข้อมูลของผู้ผลิตนำเสนอเส้นโค้ง I²t บนสเกลลอการิทึม โดยมีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดว่าจะเกิดขึ้น (แกน X) พล็อตเทียบกับพลังงานที่ปล่อยผ่าน (แกน Y) โดยทั่วไปจะมีหลายเส้นโค้งปรากฏบนแผนภูมิเดียว ซึ่งแสดงถึงขนาดเฟรมหรือพิกัดกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันภายในกลุ่มผลิตภัณฑ์.
ห้าขั้นตอนในการใช้เส้นโค้ง I²t
ขั้นตอนที่ 1: คำนวณกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่คาดว่าจะเกิดขึ้น
กำหนดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุดที่สามารถใช้ได้ ณ จุดติดตั้งโดยใช้การคำนวณอิมพีแดนซ์ของระบบตามมาตรฐาน IEC 60909 หรือมาตรฐานเทียบเท่า ซึ่งแสดงถึงกระแสไฟฟ้าที่จะไหลหากเบรกเกอร์ถูกแทนที่ด้วยตัวนำไฟฟ้าที่เป็นของแข็ง.
ขั้นตอนที่ 2: ค้นหากระแสไฟฟ้าบนแกน X
ค้นหาค่ากระแสไฟฟ้าที่คำนวณได้บนแกนแนวนอนของแผนภูมิเส้นโค้ง I²t หากค่าของคุณอยู่ระหว่างเส้นกริด ให้ประมาณค่าลอการิทึมหรือใช้ค่าที่สูงกว่าถัดไปเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ปลอดภัย.
ขั้นตอนที่ 3: ลากเส้นในแนวตั้งไปยังเส้นโค้งของเบรกเกอร์
ลากเส้นแนวตั้งจินตนาการขึ้นจากค่ากระแสไฟฟ้าของคุณจนกว่าจะตัดกับเส้นโค้งที่สอดคล้องกับพิกัดกระแสไฟฟ้าของเบรกเกอร์ของคุณ พิกัดกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันมีเส้นโค้งที่แตกต่างกัน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณกำลังอ่านค่าที่ถูกต้อง.
ขั้นตอนที่ 4: อ่านค่า I²t บนแกน Y
จากจุดตัด ลากเส้นในแนวนอนไปทางแกน Y ด้านซ้ายเพื่ออ่านค่าพลังงานที่ปล่อยผ่าน โปรดสังเกตหน่วยอย่างระมัดระวัง โดยทั่วไปค่าจะแสดงเป็น A²s × 10⁶ หรือสัญกรณ์วิทยาศาสตร์ที่คล้ายกัน.
ขั้นตอนที่ 5: เปรียบเทียบกับความสามารถในการทนของตัวนำ
ตรวจสอบว่าค่า I²t ของเบรกเกอร์น้อยกว่าความสามารถในการทนความร้อนสูงสุดของตัวนำโดยใช้สูตร K²S² (อธิบายไว้ในส่วนถัดไป).
ข้อผิดพลาดในการอ่านทั่วไปที่ควรหลีกเลี่ยง
วิศวกรมักทำผิดพลาดร้ายแรงสามประการเมื่อตีความเส้นโค้ง I²t:
การสับสนระหว่างค่า RMS และค่าสูงสุด: แกน X แสดงกระแสไฟฟ้าสมมาตร RMS ที่คาดว่าจะเกิดขึ้น ไม่ใช่กระแสไฟฟ้าอสมมาตรสูงสุด การใช้ค่าสูงสุดจะทำให้คุณอยู่ในตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องบนเส้นโค้ง ซึ่งโดยทั่วไปจะส่งผลให้การอ่านค่า I²t เป็นไปในแง่ดีมากเกินไป.
การไม่ตรงกันของพิกัดกระแสไฟฟ้าของเบรกเกอร์: กลุ่มผลิตภัณฑ์มักแสดงเส้นโค้งหลายเส้นบนแผนภูมิเดียว ตรวจสอบเสมอว่าคุณกำลังอ่านเส้นโค้งที่ตรงกับพิกัดกระแสไฟฟ้าและกำลังตัดกระแสไฟฟ้าของเบรกเกอร์ที่ติดตั้ง (เช่น เบรกเกอร์ “C” curve 10kA แตกต่างจากเบรกเกอร์ “N” curve 36kA ที่มีกระแสไฟฟ้าเท่ากัน).
การละเลยการปรับขนาดลอการิทึม: ทั้งสองแกนใช้สเกลลอการิทึม ระยะทางที่มองเห็นได้เล็กน้อยบนแผนภูมิแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงตัวเลขจำนวนมาก อ่านค่าจากป้ายกำกับแกนอย่างระมัดระวังเสมอ แทนที่จะประมาณด้วยสายตา.
การคำนวณความสามารถในการทนความร้อนของตัวนำ
สูตร K²S² อธิบาย
ตัวนำทุกตัวมีพลังงานความร้อนสูงสุดที่สามารถดูดซับได้ก่อนที่ฉนวนจะเสียหาย ขีดจำกัดนี้แสดงโดยสมการ adiabatic:
I²t ≤ K²S²
ที่ไหน:
- I²t = พลังงานที่ปล่อยผ่านจากอุปกรณ์ป้องกัน (A²s)
- K = ค่าคงที่ของวัสดุและฉนวน (A·s½/mm²)
- S = พื้นที่หน้าตัดตัวนำ (mm²)
ค่าคงที่ K คำนึงถึงวัสดุตัวนำ (ทองแดงหรืออลูมิเนียม) ประเภทฉนวน (PVC, XLPE, EPR) อุณหภูมิเริ่มต้น (โดยทั่วไปคือ 70°C สำหรับการทำงานต่อเนื่อง) และอุณหภูมิที่อนุญาตสูงสุด (160°C สำหรับ PVC, 250°C สำหรับ XLPE) IEC 60364-5-54 ให้ค่า K ที่ได้มาตรฐาน.
ค่า K มาตรฐานสำหรับตัวนำไฟฟ้าทั่วไป
| วัสดุตัวนำไฟฟ้า | ประเภทฉนวน | อุณหภูมิเริ่มต้น | อุณหภูมิสุดท้าย | ค่า K (A·s½/mm²) |
|---|---|---|---|---|
| ทองแดง | พีวีซี | 70°C | 160°C | 115 |
| ทองแดง | XLPE/EPR | 90°C | 250°C | 143 |
| ทองแดง | แร่ (PVC) | 70°C | 160°C | 115 |
| อลูมิเนียม | พีวีซี | 70°C | 160°C | 76 |
| อลูมิเนียม | XLPE/EPR | 90°C | 250°C | 94 |
ตัวอย่างการคำนวณเชิงปฏิบัติ
สถานการณ์ (Scenario): ตรวจสอบว่าเบรกเกอร์ VIOX NSX160F (ความสามารถในการตัดกระแส 36kA) ป้องกันตัวนำทองแดงขนาด 10mm² ที่มีฉนวน PVC ได้อย่างเพียงพอหรือไม่ โดยที่กระแสลัดวงจรที่คาดการณ์ไว้คือ 25kA.
ขั้นตอนที่ 1: ค้นหา I²t ของเบรกเกอร์จากกราฟของผู้ผลิต
- กระแสที่คาดการณ์ไว้: 25 kA
- จากกราฟ datasheet ของ VIOX NSX160F: I²t = 6×10⁵ A²s
ขั้นตอนที่ 2: คำนวณความทนทานต่อความร้อนของสายเคเบิล
- K = 115 (ทองแดง PVC จากตารางด้านบน)
- S = 10 mm²
- K²S² = 115² × 10² = 1.32×10⁶ A²s
ขั้นตอนที่ 3: ตรวจสอบการป้องกัน
- Breaker I²t (6×10⁵) < Cable K²S² (1.32×10⁶) ✓
- ส่วนต่างความปลอดภัย: (1.32 – 0.6) / 1.32 = 54.51%
สรุป: สายเคเบิลได้รับการป้องกันอย่างเพียงพอโดยมีส่วนต่างความปลอดภัยที่สำคัญ.
การตรวจสอบความร้อนของบัสบาร์โดยใช้ I²t
เหตุใดบัสบาร์จึงต้องได้รับการพิจารณาเป็นพิเศษ
บัสบาร์ในแผงจ่ายไฟและสวิตช์เกียร์เผชิญกับความเค้นจากความร้อนเช่นเดียวกับสายเคเบิลในระหว่างที่เกิดความผิดพลาด แต่กระบวนการตรวจสอบจะแตกต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตและสภาพการติดตั้ง แท่งทองแดงหรืออลูมิเนียมมีการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม แต่การจัดเรียงที่กะทัดรัดในแผงปิดจำกัดการระบายความร้อนในช่วงเวลาที่เกิดความผิดพลาดสั้นๆ.
หลักการ I²t เดียวกันนี้ใช้ได้ แต่ผู้ที่เกี่ยวข้องต้องคำนึงถึงปัจจัยผลกระทบผิวของ AC (Kf) และขนาดตัวนำที่แม่นยำ สำหรับบัสบาร์ทองแดงสี่เหลี่ยม การคำนวณความทนทานต่อความร้อนจะกลายเป็น:
θk = θ0 + (I²t × Kf × ρ0) / (A² × c × γ × (1 + α0 × θ0))
ที่ไหน:
- θk = อุณหภูมิสุดท้าย (°C)
- θ0 = อุณหภูมิเริ่มต้น (โดยทั่วไปคือ 70°C สำหรับการทำงานต่อเนื่อง)
- I²t = พลังงานที่ปล่อยผ่าน (A²s)
- Kf = สัมประสิทธิ์การสูญเสียเพิ่มเติมของ AC (โดยทั่วไปคือ 1.0-1.5 ขึ้นอยู่กับความถี่และขนาดของแท่ง)
- ρ0 = สภาพต้านทานที่ 0°C (1.65×10⁻⁸ Ω·m สำหรับทองแดง)
- A = พื้นที่หน้าตัด (m²)
- c = ความจุความร้อนจำเพาะ (395 J/(kg·K) สำหรับทองแดง)
- γ = ความหนาแน่น (8900 kg/m³ สำหรับทองแดง)
- α0 = สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (1/235 K⁻¹ สำหรับทองแดง)
ตัวอย่างที่ทำ: อุณหภูมิบัสบาร์เพิ่มขึ้น
กำหนดให้: บัสบาร์ทองแดงขนาด 100×10mm อุณหภูมิเริ่มต้น 70°C ป้องกันโดยเบรกเกอร์จำกัดกระแส 160A ความผิดพลาดที่คาดการณ์ไว้ 100kA.
ขั้นตอนที่ 1: รับ I²t ของเบรกเกอร์
- จากกราฟของผู้ผลิต: I²t = 0.48×10⁶ A²s
ขั้นตอนที่ 2: คำนวณอุณหภูมิสุดท้าย
- A = 100mm × 10mm = 1000mm² = 1×10⁻³ m²
- Kf = 1.0 (อนุรักษ์นิยมสำหรับรูปทรงเรขาคณิตนี้)
- ใช้สูตรข้างต้น:
θk = 70 + (0.48×10⁶ × 1.0 × 1.65×10⁻⁸) / ((1×10⁻³)² × 395 × 8900 × (1 + 1/235 × 70))
θk ≈ 70.8°C
ผลลัพธ์: อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นน้อยกว่า 1°C แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของการป้องกันการจำกัดกระแส หากไม่มีการจำกัดกระแส ความผิดพลาด 100kA เดียวกันที่เกิดขึ้นนาน 500ms จะทำให้อุณหภูมิของบัสบาร์สูงขึ้นเป็นประมาณ 95°C ซึ่งยังคงอยู่ในขีดจำกัด แต่มีส่วนต่างความปลอดภัยลดลงอย่างมาก.
ความแตกต่างอย่างมากนี้อธิบายว่าทำไมเบรกเกอร์จำกัดกระแสจึงช่วยให้สามารถใช้บัสบาร์ขนาดเล็กลงและประหยัดกว่าในสวิตช์เกียร์สมัยใหม่ ในขณะที่ยังคงรักษาระดับความปลอดภัยไว้ได้.
มาตรฐานและข้อกำหนดการปฏิบัติตาม
IEC 60947-2: มาตรฐานพื้นฐาน
IEC 60947-2 ควบคุมเซอร์กิตเบรกเกอร์แรงดันต่ำและกำหนดให้ผู้ผลิตจัดทำกราฟ I²t สำหรับอุปกรณ์จำกัดกระแส มาตรฐานระบุ:
- เงื่อนไขการทดสอบ สำหรับการกำหนดค่าที่ปล่อยผ่าน
- ข้อกำหนดความแม่นยำของเส้นโค้ง (โดยทั่วไปคือความคลาดเคลื่อน ±10%)
- อุณหภูมิโดยรอบ ข้อสมมติฐาน (40°C สำหรับเบรกเกอร์อุตสาหกรรม)
- ข้อกำหนดในการประสานงาน ระหว่างอุปกรณ์ต้นน้ำและปลายน้ำ
เบรกเกอร์ต้องแสดงประสิทธิภาพ I²t ที่สอดคล้องกันตลอดช่วงความสามารถในการตัดกระแสทั้งหมด ตั้งแต่กระแสลัดวงจรขั้นต่ำไปจนถึงพิกัด.
รูปแบบมาตรฐานระดับภูมิภาค
| ภูมิภาค | มาตรฐานหลัก | ความแตกต่างที่สำคัญ |
|---|---|---|
| ยุโรป | มอก. 60947-2 | ต้องมีเส้นโค้ง I²t โดยตรงในเอกสารข้อมูล |
| อเมริกาเหนือ | UL 489 | แผนภูมิการปล่อยผ่านเป็นทางเลือก ตารางการประสานงานเป็นเรื่องปกติมากกว่า |
| ประเทศจีน | GB 14048.2 | อิงตาม IEC 60947-2 โดยมีการปรับเปลี่ยนเล็กน้อย |
| ออสเตรเลีย | AS/NZS 60947.2 | เหมือนกับ IEC แต่มีข้อกำหนดการติดตั้งในท้องถิ่น |
การบูรณาการมาตรฐานสายเคเบิล
ค่าทนความร้อนของตัวนำ (ปัจจัย K) มาจากมาตรฐานเสริม:
- IEC 60364-5-54: ข้อกำหนดการติดตั้งและค่า K สำหรับการติดตั้งแบบอยู่กับที่
- IEC 60502: สายไฟฟ้าที่มีฉนวนเอ็กซ์ทรูด
- BS 7671: ข้อบังคับการเดินสายของสหราชอาณาจักร (สอดคล้องกับ IEC)
วิศวกรต้องตรวจสอบอุปกรณ์ป้องกัน (ตาม IEC 60947-2) และขนาดตัวนำ (ตาม IEC 60364-5-54) ร่วมกันเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดทั้งหมด.
การประยุกต์ใช้จริง: ขั้นตอนการออกแบบแผง
กระบวนการคัดเลือกสำหรับการติดตั้งใหม่
เมื่อออกแบบแผงจ่ายไฟฟ้า ให้ทำตามขั้นตอนการทำงานที่เป็นระบบนี้เพื่อให้แน่ใจว่ามีการป้องกันความร้อนที่เหมาะสม:
ระยะที่ 1: การวิเคราะห์ระบบ
- คำนวณกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุดที่คาดการณ์ได้ ณ จุดจ่ายไฟแต่ละจุดโดยใช้ข้อมูลอิมพีแดนซ์ของระบบ
- ระบุชนิด ขนาด และวัสดุฉนวนของตัวนำทั้งหมดในการติดตั้ง
- กำหนดสภาวะอุณหภูมิแวดล้อมและปัจจัยลดพิกัดใดๆ
ระยะที่ 2: การเลือกอุปกรณ์ป้องกัน
- เลือกพิกัดของเซอร์กิตเบรกเกอร์ตามข้อกำหนดกระแสโหลด
- ตรวจสอบว่าความสามารถในการตัดกระแสเกินกว่ากระแสไฟฟ้าขัดข้องที่คาดการณ์ไว้
- เลือกเบรกเกอร์ชนิดจำกัดกระแสในบริเวณที่ระดับกระแสไฟฟ้าขัดข้องสูง (>10kA) หรือตัวนำมีขนาดเล็ก (<16mm²)
ระยะที่ 3: การตรวจสอบความร้อน
- รับเส้นโค้ง I²t จากผู้ผลิตเบรกเกอร์สำหรับอุปกรณ์ที่เลือก
- คำนวณความสามารถในการทนความร้อนของตัวนำ (K²S²) สำหรับแต่ละวงจร
- ตรวจสอบว่าเบรกเกอร์ I²t < ตัวนำ K²S² สำหรับกระแสไฟฟ้าขัดข้องที่คาดการณ์ไว้
- จัดทำเอกสารส่วนต่างความปลอดภัย (แนะนำขั้นต่ำ 20%)
ระยะที่ 4: การตรวจสอบการประสานงาน
- ตรวจสอบการเลือกปฏิบัติระหว่างอุปกรณ์ป้องกันต้นทางและปลายทาง
- ตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่า I²t ของอุปกรณ์ป้องกันสำรองไม่เกินขีดจำกัดของตัวนำปลายทาง
- ตรวจสอบตารางการประสานงานของผู้ผลิตสำหรับชุดอุปกรณ์
สถานการณ์การปรับปรุงและอัปเกรด
การติดตั้งที่มีอยู่มักจะต้องมีการประเมินเมื่อโหลดเพิ่มขึ้นหรือระดับกระแสไฟฟ้าขัดข้องเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการอัปเกรดสาธารณูปโภค กระบวนการตรวจสอบ I²t มีความสำคัญอย่างยิ่ง:
สถานการณ์ (Scenario): โรงงานเพิ่มหม้อแปลงไฟฟ้าใหม่ ทำให้กระแสไฟฟ้าขัดข้องที่ใช้ได้เพิ่มขึ้นจาก 15kA เป็น 35kA ที่แผงจ่ายไฟหลัก.
การวิเคราะห์ที่จำเป็น:
- ตรวจสอบเส้นโค้ง I²t ของเบรกเกอร์ที่มีอยู่ที่ระดับกระแสไฟฟ้าขัดข้องใหม่ (35kA)
- ตรวจสอบความสามารถในการทนความร้อนของตัวนำปลายทางทั้งหมดอีกครั้ง
- ตรวจสอบว่าบัสบาร์ที่มีอยู่ยังคงเพียงพอหรือไม่
- ประเมินความจำเป็นสำหรับเบรกเกอร์จำกัดกระแสหากเบรกเกอร์มาตรฐานที่มีอยู่เกินขีดจำกัด I²t ของตัวนำ
การวิเคราะห์นี้มักจะเผยให้เห็นว่าเบรกเกอร์มาตรฐานที่มีอยู่ แม้ว่าจะมีขีดความสามารถในการตัดกระแสที่เพียงพอ แต่ก็ยอมให้ I²t มากเกินไปที่ระดับกระแสไฟฟ้าขัดข้องที่สูงขึ้น การอัปเกรดเป็นเบรกเกอร์จำกัดกระแสมักจะเป็นทางออกที่ประหยัดที่สุดเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนตัวนำที่มีขนาดเล็กเกินไปทั้งหมด.
ข้อผิดพลาดในการออกแบบทั่วไปและวิธีหลีกเลี่ยง
ข้อผิดพลาดที่ 1: การสันนิษฐานว่าเบรกเกอร์ทั้งหมดเป็นแบบจำกัดกระแส
ปัญหา: ไม่ใช่เซอร์กิตเบรกเกอร์ทั้งหมดที่ให้การจำกัดกระแสที่สำคัญ เบรกเกอร์แบบความร้อน-แม่เหล็กมาตรฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งขนาดเฟรมที่ใหญ่กว่า (>630A) มักจะมีผลการจำกัดกระแสน้อยที่สุด เส้นโค้ง I²t ของพวกเขาอาจแสดงค่าที่ต่ำกว่าพลังงานกระแสไฟฟ้าขัดข้องที่ไม่จำกัดเล็กน้อยเท่านั้น.
ทางออก: ตรวจสอบชนิดของเบรกเกอร์เสมอและรับเส้นโค้ง I²t ที่แท้จริงจากผู้ผลิต อย่าสันนิษฐานว่ามีการจำกัดกระแสตามความสามารถในการตัดกระแสเพียงอย่างเดียว ประสิทธิภาพการจำกัดกระแสเป็นคุณสมบัติการออกแบบเฉพาะ ไม่ใช่ลักษณะเฉพาะอัตโนมัติของความสามารถในการตัดกระแสสูง.
ข้อผิดพลาดที่ 2: การใช้กระแสสูงสุดแทน RMS
ปัญหา: วิศวกรบางครั้งสับสนระหว่างกระแสไฟผ่านสูงสุด (Ip) ที่แสดงบนเส้นโค้งการจำกัดกับค่ากระแส RMS ที่จำเป็นสำหรับการคำนวณ I²t ซึ่งอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาด 40% หรือมากกว่า.
ทางออก: เส้นโค้ง I²t ใช้กระแสไฟฟ้าที่คาดการณ์ได้แบบสมมาตร RMS เสมอในแกน X หากคุณได้คำนวณกระแสไฟฟ้าที่ไม่สมมาตรสูงสุด ให้หารด้วย √2 × κ (โดยที่ κ คือปัจจัยสูงสุด โดยทั่วไปคือ 1.8-2.0) เพื่อให้ได้ค่า RMS สำหรับการอ่านเส้นโค้ง.
ข้อผิดพลาดที่ 3: การละเลยตัวนำขนาน
ปัญหา: เมื่อตัวนำหลายตัวขนานกันต่อเฟส (พบได้ทั่วไปในการติดตั้งขนาดใหญ่) วิศวกรบางคนคูณค่า K²S² ด้วยจำนวนตัวนำอย่างไม่ถูกต้อง ซึ่งไม่ถูกต้องเนื่องจากกระแสไฟฟ้าขัดข้องแบ่งออกเป็นเส้นทางขนาน แต่พลังงาน I²t ส่งผลกระทบต่อตัวนำแต่ละตัวแยกกัน.
ทางออก: สำหรับตัวนำขนาน ให้ตรวจสอบว่าเบรกเกอร์ I²t น้อยกว่า K²S² สำหรับตัวนำตัวเดียว การแบ่งกระแสไฟฟ้าขัดข้องได้รับการพิจารณาแล้วในการคำนวณอิมพีแดนซ์ของระบบที่กำหนดกระแสไฟฟ้าที่คาดการณ์ไว้.
ข้อผิดพลาดที่ 4: การละเลยผลกระทบของอุณหภูมิแวดล้อม
ปัญหา: ค่า K ในตารางมาตรฐานถือว่าอุณหภูมิเริ่มต้นที่ระบุ (โดยทั่วไปคือ 70°C สำหรับการทำงานต่อเนื่อง) การติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่ร้อน (>40°C แวดล้อม) หรือมีปัจจัยโหลดสูง อาจมีอุณหภูมิเริ่มต้นของตัวนำที่สูงขึ้น ซึ่งจะช่วยลดความสามารถในการทนความร้อน.
ทางออก: สำหรับอุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้นหรือปัจจัยโหลดสูง ให้:
- ใช้ค่า K ที่ปรับแล้วจาก IEC 60364-5-54 ภาคผนวก A
- ใช้ปัจจัยลดพิกัดอุณหภูมิกับผลลัพธ์ K²S²
- ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเบรกเกอร์ I²t ให้ส่วนต่างความปลอดภัยเพิ่มเติม (>30%)
หัวข้อขั้นสูง: การจำกัดพลังงานและอาร์คแฟลช
บทบาทของ I²t ในการลดอันตรายจากอาร์คแฟลช
การคำนวณพลังงานเหตุการณ์อาร์คแฟลชตาม IEEE 1584 โดยทั่วไปจะใช้เส้นโค้งเวลา-กระแสของเบรกเกอร์เพื่อกำหนดเวลาการตัด อย่างไรก็ตาม สำหรับเบรกเกอร์จำกัดกระแสที่ทำงานในบริเวณทันที วิธีนี้จะประเมินพลังงานเหตุการณ์จริงสูงเกินไปอย่างมาก.
การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการใช้ค่า I²t เพื่อคำนวณพลังงานอาร์คแฟลชให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับอุปกรณ์จำกัดกระแส ความสัมพันธ์คือ:
พลังงานเหตุการณ์ (cal/cm²) ∝ √(I²t) / D²
โดยที่ D คือระยะการทำงาน วิธีนี้สามารถลดพลังงานเหตุการณ์ที่คำนวณได้ 50-70% เมื่อเทียบกับวิธีการเส้นโค้งเวลา-กระแส ซึ่งอาจลดประเภท PPE ที่จำเป็นและปรับปรุงความปลอดภัยของคนงาน.
ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการประสานงานและการเลือกปฏิบัติ
การเลือกปฏิบัติที่เหมาะสมกำหนดให้เบรกเกอร์ที่อยู่ใกล้กับความผิดพลาดมากที่สุดเท่านั้นที่ทำงาน โดยปล่อยให้อุปกรณ์ต้นทางปิดอยู่ จากมุมมองของ I²t หมายความว่า:
- Energy discrimination: I²t ของเบรกเกอร์ต้นทาง ณ ตำแหน่งที่เกิดความผิดพลาดต้องเกินพลังงานการตัดทั้งหมดของเบรกเกอร์ปลายทาง
- Time discrimination: อุปกรณ์ต้นทางต้องปิดนานพอที่อุปกรณ์ปลายทางจะตัดกระแสไฟฟ้าขัดข้อง
- Current discrimination: ในบางกรณี อุปกรณ์ต้นทางจะเห็นกระแสไฟฟ้าลดลงเนื่องจากอิมพีแดนซ์ของอุปกรณ์ปลายทาง
ผู้ผลิตจัดทำตารางการประสานงานที่แสดงให้เห็นว่าการผสมผสานอุปกรณ์ใดที่บรรลุถึงการเลือกสรร แต่การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ I²t ที่อยู่เบื้องหลังจะช่วยให้วิศวกรสามารถตัดสินใจได้อย่างชาญฉลาดเมื่อตารางไม่ครอบคลุมสถานการณ์เฉพาะ.
สิ่งสำคัญที่ต้องจดจำ
- เส้นโค้ง I²t แสดงปริมาณพลังงานความร้อน ที่เบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าอนุญาตให้ผ่านระหว่างการขัดข้อง ซึ่งวัดเป็นแอมแปร์ยกกำลังสองวินาที (A²s)
- เบรกเกอร์จำกัดกระแสไฟฟ้า สามารถลดพลังงานความผิดพลาดได้ 1,000 เท่าหรือมากกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ไม่จำกัดกระแสไฟฟ้า ทำให้สามารถใช้ตัวนำขนาดเล็กลงได้
- การอ่านเส้นโค้ง I²t ต้องใช้ห้าขั้นตอน: คำนวณกระแสไฟฟ้าที่คาดว่าจะเกิดขึ้น, ระบุตำแหน่งบนแกน X, ลากเส้นไปยังเส้นโค้งของเบรกเกอร์, อ่านค่าแกน Y, เปรียบเทียบกับความทนทานของตัวนำ
- ความทนทานต่อความร้อนของตัวนำ คำนวณโดยใช้ K²S² โดยที่ K ขึ้นอยู่กับวัสดุและชนิดของฉนวน และ S คือพื้นที่หน้าตัด
- สูตรการตรวจสอบนั้นง่าย: I²t ของเบรกเกอร์ต้องน้อยกว่า K²S² ของตัวนำที่ระดับกระแสไฟฟ้าผิดพลาดที่คาดว่าจะเกิดขึ้น
- การปฏิบัติตามมาตรฐาน ต้องปฏิบัติตาม IEC 60947-2 สำหรับเบรกเกอร์ และ IEC 60364-5-54 สำหรับการกำหนดขนาดตัวนำ
- ข้อผิดพลาดทั่วไป รวมถึงค่า RMS/peak ที่สับสน โดยถือว่าเบรกเกอร์ทั้งหมดเป็นแบบจำกัดกระแสไฟฟ้า และละเลยผลกระทบของอุณหภูมิแวดล้อม
- การตรวจสอบบัสบาร์ ใช้หลักการ I²t เดียวกัน แต่ต้องมีการคำนวณเพิ่มเติมสำหรับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
- การคำนวณ Arc flash ได้ประโยชน์จากข้อมูล I²t ซึ่งมักจะลดประมาณการพลังงานที่เกิดขึ้นสำหรับเบรกเกอร์จำกัดกระแสไฟฟ้า
- การประสานงานและการเลือก ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ I²t ที่เหมาะสมระหว่างอุปกรณ์ป้องกันต้นทางและปลายทาง
คำถามที่ถูกถามบ่อย
ถาม: ฉันสามารถใช้เส้นโค้ง I²t สำหรับเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้า DC ได้หรือไม่
ตอบ: ได้ แต่ต้องระมัดระวัง เบรกเกอร์ DC มีเส้นโค้ง I²t แต่ผลการจำกัดกระแสไฟฟ้าโดยทั่วไปจะเด่นชัดน้อยกว่าเบรกเกอร์ AC เนื่องจากการไม่มีศูนย์กระแสไฟฟ้าตามธรรมชาติ ใช้เส้นโค้งเฉพาะ DC เสมอ และห้ามใช้ข้อมูลเบรกเกอร์ AC กับการใช้งาน DC. เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการกำหนดขนาดเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้า DC.
ถาม: จะเกิดอะไรขึ้นถ้ากระแสไฟฟ้าผิดพลาดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นของฉันต่ำกว่าจุดเริ่มต้นของเส้นโค้ง
ตอบ: เส้นโค้ง I²t ส่วนใหญ่เริ่มต้นที่กระแสไฟฟ้าที่การทำงานจำกัดกระแสไฟฟ้าเริ่มต้น (โดยทั่วไปคือ 3-5 เท่าของกระแสไฟฟ้าที่กำหนด) ต่ำกว่าเกณฑ์นี้ เบรกเกอร์จะทำงานในบริเวณความร้อนหรือแม่เหล็กโดยไม่มีข้อจำกัดที่สำคัญ สำหรับกระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเหล่านี้ ให้ใช้เส้นโค้งเวลา-กระแสไฟฟ้าเพื่อคำนวณ I²t เป็น: I²t = I² × เวลาในการตัดวงจร.
ถาม: ฉันควรตรวจสอบการป้องกัน I²t ในการติดตั้งที่มีอยู่บ่อยแค่ไหน
ตอบ: ต้องทำการตรวจสอบใหม่เมื่อ: (1) การอัปเกรดสาธารณูปโภคเพิ่มกระแสไฟฟ้าผิดพลาดที่ใช้ได้, (2) ตัวนำถูกเปลี่ยนหรือขยายวงจร, (3) อุปกรณ์ป้องกันมีการเปลี่ยนแปลง หรือ (4) เพิ่มโหลดหลัก ในฐานะที่เป็นแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด ให้ตรวจสอบระหว่างการศึกษา ระบบไฟฟ้าเป็นระยะ (โดยทั่วไปทุกๆ 5 ปี). การทำความเข้าใจเส้นโค้งการตัดวงจร ช่วยระบุว่าเมื่อใดที่การเปลี่ยนแปลงส่งผลต่อการป้องกัน.
ถาม: เบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าย่อย (MCB) มีเส้นโค้ง I²t หรือไม่
ตอบ: มี MCB ตาม IEC 60898-1 มีค่า I²t สูงสุดที่เป็นมาตรฐานตามความสามารถในการตัดวงจร (6kA, 10kA ฯลฯ) และชนิดของเส้นโค้ง (B, C, D) อย่างไรก็ตาม ผู้ผลิตไม่ได้เผยแพร่เส้นโค้งโดยละเอียดเสมอไป สำหรับการตรวจสอบที่แม่นยำ ให้ขอข้อมูล I²t จากผู้ผลิต หรือใช้ค่าสูงสุดที่อนุรักษ์นิยมจาก IEC 60898-1 Annex D. การเปรียบเทียบความสามารถในการตัดวงจรของ MCB ให้บริบทเพิ่มเติม.
ถาม: ฉันสามารถประมาณค่าระหว่างเส้นโค้งสำหรับพิกัดเบรกเกอร์ที่แตกต่างกันได้หรือไม่
ตอบ: ไม่ ห้ามประมาณค่าระหว่างพิกัดเบรกเกอร์ที่แตกต่างกันบนเส้นโค้ง I²t แต่ละพิกัดมีลักษณะภายในที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งส่งผลต่อการจำกัดกระแสไฟฟ้า หากไม่แสดงพิกัดที่คุณต้องการ ให้ขอข้อมูลเฉพาะจากผู้ผลิต หรือใช้เส้นโค้งของพิกัดที่สูงกว่าถัดไปเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่อนุรักษ์นิยม.
ถาม: อะไรคือความแตกต่างระหว่างพิกัด I²t และ Icw บน MCCB
ตอบ: Icw (กระแสไฟฟ้าทนต่อการลัดวงจร) คือกระแสไฟฟ้าที่เบรกเกอร์สามารถนำไปได้ในช่วงเวลาที่กำหนด (โดยทั่วไปคือ 1 วินาที) โดยไม่ตัดวงจร ใช้สำหรับการประสานงาน I²t คือพลังงานความร้อนที่เบรกเกอร์ปล่อยผ่านเมื่อตัดวงจร มีวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน: Icw สำหรับการเลือกสรร, I²t สำหรับการป้องกันตัวนำ. การหน่วงเวลาการลัดวงจรของ MCCB อธิบาย ครอบคลุมความแตกต่างนี้โดยละเอียด.
สรุป: การรวม I²t เข้ากับกระบวนการออกแบบของคุณ
การทำความเข้าใจและการประยุกต์ใช้เส้นโค้ง I²t ของเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าอย่างเหมาะสม จะเปลี่ยนการป้องกันความร้อนจากข้อกังวลทางทฤษฎีให้เป็นเครื่องมือออกแบบที่ใช้งานได้จริง กระบวนการตรวจสอบ—การอ่านเส้นโค้ง การคำนวณความทนทานของตัวนำ และการยืนยันส่วนต่างที่เพียงพอ—ใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีต่อวงจร แต่ป้องกันความล้มเหลวที่มีค่าใช้จ่ายสูงและอันตรายด้านความปลอดภัย.
การติดตั้งระบบไฟฟ้าที่ทันสมัยเผชิญกับระดับกระแสไฟฟ้าผิดพลาดที่เพิ่มขึ้นเมื่อโครงข่ายไฟฟ้าของสาธารณูปโภคแข็งแกร่งขึ้นและการผลิตแบบกระจายเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน แรงกดดันทางเศรษฐกิจก็ผลักดันให้การกำหนดขนาดตัวนำไปสู่ค่าที่ยอมรับได้ขั้นต่ำ การบรรจบกันนี้ทำให้การตรวจสอบ I²t ไม่ใช่แค่แนะนำ แต่จำเป็นสำหรับการออกแบบที่ปลอดภัยและเป็นไปตามข้อกำหนด.
VIOX Electric ให้เส้นโค้ง I²t ที่ครอบคลุมและการสนับสนุนทางเทคนิคสำหรับเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าจำกัดกระแสไฟฟ้าทั้งหมดในกลุ่มผลิตภัณฑ์ของเรา ทีมวิศวกรของเราให้ความช่วยเหลือในการคำนวณการตรวจสอบความร้อน และสามารถแนะนำการเลือกเบรกเกอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานที่ท้าทายซึ่งระดับความผิดพลาดเข้าใกล้ขีดจำกัดความร้อนของตัวนำ.
สำหรับการติดตั้งที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับระดับการประสานงานหลายระดับ, การเลือกบัสบาร์, หรือการใช้งานเฉพาะทาง เช่น กล่องรวมสายโซลาร์เซลล์, ให้ปรึกษากับวิศวกรไฟฟ้าที่มีประสบการณ์ซึ่งเข้าใจทั้งหลักการทางทฤษฎีและการประยุกต์ใช้จริงของกลยุทธ์การป้องกันตาม I²t.
การลงทุนในการตรวจสอบความร้อนที่เหมาะสมให้ผลตอบแทนผ่านความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น ความเสียหายของอุปกรณ์ที่ลดลงระหว่างการขัดข้อง ค่าใช้จ่ายด้านประกันภัยที่ต่ำลง และการปฏิบัติตามรหัสไฟฟ้าที่เข้มงวดขึ้นทั่วโลก ทำให้การวิเคราะห์เส้นโค้ง I²t เป็นขั้นตอนมาตรฐานในกระบวนการเลือกเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าของคุณ—ตัวนำของคุณและลูกค้าของคุณจะขอบคุณคุณ.
