طراحی باسبار (Busbar) یا شمش کشی در تابلوهای برق فشار ضعیف، فراتر از یک اتصال ساده الکتریکی است؛ در واقع، باسبارها شاهراه های انتقال انرژی هستند که باید در برابر فشارهای حرارتی مداوم و ضربات مکانیکی ناشی از اتصال کوتاه مقاومت کنند. در یک پروژه مهندسی واقعی، طراحی باسبار در تابلو برق فشار ضعیف قلب مهندسی مکانیک و برق تابلو محسوب می شود.
اگر باسبار به درستی محاسبه نشود، افزایش دما باعث کاهش طول عمر تجهیزات، ذوب شدن عایق ها و در نهایت آتش سوزی در سلول های تابلو خواهد شد. یک طراحی اصولی باید تعادلی میان ظرفیت جریان دهی، مدیریت گرمای تولیدی و پایداری در برابر نیروهای الکترودینامیکی ایجاد کند تا تداوم سرویس دهی خط تولید تضمین گردد.
نحوه طراحی باسبار در تابلو فشار ضعیف
جریان مجاز تنها به سطح مقطع بستگی ندارد، بلکه نحوه قرارگیری شمش (عمودی یا افقی)، تعداد شمش در هر فاز و حتی ارتفاع از سطح دریا بر این مقدار تأثیر مستقیم دارند. اگر جریان واقعی بار از جریان مجاز باسبار فراتر رود، مقاومت الکتریکی شمش بر اثر گرما بالا رفته و باعث افت ولتاژ شدید در خروجی فیدرها می شود.
این گرمای مازاد به کلیدهای اتوماتیک منتقل شده و باعث عملکرد نابجای حفاظت های حرارتی (تریپ کاذب) می گردد. بنابراین، درک درست از جریان مجاز یعنی تضمین اینکه شاهراه انرژی تابلو، تحت هر شرایطی خنک و کارآمد باقی می ماند. انتخاب جریان مجاز باید با در نظر گرفتن “جریان نامی تابلو” و با اعمال ضرایب تصحیح محیطی انجام شود تا از بروز نقاط داغ (Hotspots) جلوگیری گردد.
انتخاب جنس باسبار: مس، آلومینیوم یا ترکیبی؛ مزایا و محدودیت ها
انتخاب بین مس و آلومینیوم یکی از چالش های اقتصادی و فنی در پروژه های پیمانکاری است. مس به دلیل هدایت الکتریکی بسیار بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سهولت در ایجاد اتصالات (بدون نیاز به مواد واسطه خاص)، انتخاب اول در صنایع حساس است. باسبارهای مسی اجازه می دهند که تابلو در ابعاد کوچک تری طراحی شود، زیرا برای یک جریان مشخص، سطح مقطع مس بسیار کمتر از آلومینیوم خواهد بود.
با این حال، هزینه بالای مس و وزن زیاد آن، طراحان را به سمت گزینه های جایگزین سوق می دهد. آلومینیوم با وزنی حدود یک سوم مس و قیمتی به مراتب ارزان تر، گزینه ای جذاب برای تابلوهای توزیع بزرگ است. اما هدایت الکتریکی آن حدود ۶۰ درصد مس بوده و به دلیل ایجاد لایه اکسید سخت و مقاومت تماسی بالا، اتصالات آن نیاز به دقت مهندسی فوق العاده و استفاده از خمیرهای ضد اکسیداسیون دارد.
همچنین، به دلیل ضریب انبساط حرارتی متفاوت، اتصالات آلومینیوم به مس باید حتماً با استفاده از رابط های “بی متال” انجام شود تا از پدیده خوردگی گالوانیک جلوگیری شود. در پروژه های بهینه، گاهی از شمش های اصلی مسی و شمش های فرعی آلومینیومی برای تعادل میان هزینه و کیفیت استفاده می شود.
بیشتر بخوانید» نقش باس بار در کاهش افت ولتاژ در تابلوهای فشار ضعیف
محاسبات حرارتی باسبار: جلوگیری از داغ شدن و افت ولتاژ
محاسبات حرارتی، حیاتی ترین بخش طراحی باسبار است. هر باسبار مانند یک المنت حرارتی عمل می کند که توان تلف شده در آن از فرمول $P = I^2 R$ تبعیت می کند. در جریان های بالا (بالای ۸۰۰ آمپر)، مقاومت $R$ تحت تأثیر “اثر پوستی” (Skin Effect) افزایش می یابد؛ چرا که جریان تمایل دارد از سطح خارجی شمش عبور کند و عمق مرکزی شمش بلااستفاده می ماند.
به همین دلیل، در جریان های بسیار سنگین، استفاده از چند شمش نازک به جای یک شمش ضخیم، سطح تبادل حرارتی را افزایش داده و راندمان را بهبود می بخشد. علاوه بر این، افت ولتاژ در طول باسبار نباید از حدود استاندارد (معمولاً کمتر از ۱ درصد در داخل تابلو) فراتر رود. گرمای تولید شده باید از طریق جابجایی (Convection) و تابش (Radiation) به هوای داخل تابلو و سپس به محیط خارج منتقل شود.
اگر تابلو در محیطی بسته و بدون تهویه باشد، دمای باسبار به صورت تصاعدی بالا می رود. طراح باید با استفاده از فرمول های تبادل حرارتی، مطمئن شود که سطح مقطع انتخابی و سیستم تهویه تابلو (فن ها و دریچه ها) توانایی دفع گرمای تولیدی در بدترین شرایط بارگذاری (پیک مصرف در تابستان) را دارند.
ابعاد و مقطع باسبار: تطبیق با جریان واقعی بارهای تابلو
تعیین ابعاد شمش (عرض و ضخامت) باید بر اساس “جریان پیک” و “استقامت در برابر اتصال کوتاه” انجام شود. در بارهای صنعتی که موتورهای بزرگ دارند، جریان لحظه ای استارت نباید باعث افت ولتاژ لحظه ای در شمش شود. برای انتخاب مقطع، مهندسان معمولاً از جداول استاندارد استفاده می کنند، اما برای جریان های بالای ۲۰۰۰ آمپر، طراحی “باسبار چند تایی” (Multiple Bars per Phase) ضروری است.
قرار دادن دو یا سه شمش با فاصله ۱۰ میلی متر از هم، اجازه می دهد هوا از بین آن ها عبور کرده و خنک کاری به بهترین شکل انجام شود. همچنین، ضخامت شمش نقش مهمی در استقامت مکانیکی دارد. در لحظه وقوع اتصال کوتاه، نیروهای جاذبه و دافعه مغناطیسی بین فازها به شدت افزایش می یابد. اگر شمش خیلی نازک باشد، تحت این نیروها خم شده و باعث برخورد فازها به هم و انفجار تابلو می گردد.
بنابراین، سطح مقطع نه تنها باید “پاسخگوی جریان دائم” باشد، بلکه باید “پایداری مکانیکی” در برابر جریان های خطای چند ده کیلوآمپری را نیز تضمین کند. استفاده از شمش های با لبه گرد (Round Edge) به جای لبه تیز، تمرکز میدان الکتریکی را کاهش داده و ایمنی عایقی را بالا می برد.
نحوه چیدمان و فاصله بین باسبارها برای ایمنی و کاهش هارمونیک
چیدمان باسبارها (افقی، عمودی یا پله ای) تأثیر مستقیمی بر سهولت دسترسی، ایمنی و مدیریت تداخلات مغناطیسی دارد. طبق استاندارد، فواصل خزشی (Creepage) و فواصل هوایی (Clearance) بین باسبارهای غیر هم پتانسیل و بدنه تابلو باید به دقت رعایت شود تا از قوس الکتریکی (Arc) جلوگیری شود. در محیط های صنعتی با گرد و غبار زیاد، این فواصل باید بیشتر در نظر گرفته شوند.
چیدمان پله ای (Step arrangement) یکی از بهترین روش ها برای دسترسی آسان اپراتور جهت کابل کشی فیدرهای خروجی است. در سیستم های دارای هارمونیک بالا (ناشی از درایوها و یوپی اس ها)، چیدمان باسبارها بر پدیده “اثر مجاورتی” تأثیر می گذارد. جریان های فرکانس بالا در یک فاز می توانند باعث تغییر توزیع جریان در فاز مجاور شوند که منجر به داغ شدن نامتقارن شمش ها می گردد.
با نزدیک کردن فازها به هم (در حد مجاز استاندارد)، اندوکتانس باسبار کاهش یافته و افت ولتاژ راکتیو کمتر می شود، اما باید مراقب بود که این نزدیکی باعث تداخل حرارتی نشود. طراحی بهینه چیدمان، تعادلی میان “کمترین افت ولتاژ” و “بیشترین ایمنی عایقی” است.
تأثیر بارهای نامتقارن بر طراحی و اندازه باسبار
در بسیاری از پروژه های واقعی، بارها به صورت متقارن بین سه فاز توزیع نمی شوند. بارهای نامتقارن باعث عبور جریان از “باسبار نول” می شوند. در یک سیستم کاملاً متقارن، جریان نول صفر است، اما در صنایع دارای بارهای تک فاز زیاد یا سیستم های روشنایی وسیع، جریان نول می تواند تا ۳۰ یا حتی ۵۰ درصد جریان فاز برسد. در حضور هارمونیک های مرتبه سوم (که در نول با هم جمع می شوند)، جریان نول ممکن است حتی از جریان فاز نیز فراتر رود.
این موضوع در طراحی باسبار نول بسیار حیاتی است. در گذشته، نول را با نصف سطح مقطع فاز طراحی می کردند، اما در مهندسی مدرن صنعتی، باسبار نول باید “حداقل هم سایز با فاز” در نظر گرفته شود. نادیده گرفتن جریان نول باعث داغ شدن شدید شمش نول، سوختن ترمینال ها و در نهایت قطع شدن نول (Neutral Failure) می شود که می تواند باعث افزایش ولتاژ در فازهای دیگر و سوختن تجهیزات حساس الکترونیکی شود. طراحی باسبار نول قدرتمند، بیمه نامه سلامت تجهیزات تک فاز در یک تابلو صنعتی است.
خطاهای رایج مهندسی در طراحی باسبار و راهکار پیشگیری
یکی از رایج ترین خطاها، نادیده گرفتن “تنش های مکانیکی اتصال کوتاه” است. بسیاری از طراحان فقط به جریان عبوری فکر می کنند و به تعداد و کیفیت مقره های نگهدارنده (Insulators) توجه ندارند. در لحظه اتصال کوتاه، اگر فاصله بین دو مقره زیاد باشد، شمش مانند یک کمان عمل کرده و دفرمه می شود. راهکار پیشگیری، محاسبه فاصله بهینه مقره ها بر اساس جریان پیک اتصال کوتاه ($i_{pk}$) است.
خطای دیگر، عدم استفاده از “واشرهای فنری” (Belleville washers) در اتصالات پیچی شمش هاست؛ بدون این واشرها، شمش در اثر انبساط و انقباض حرارتی شل شده و نقطه داغ ایجاد می کند. خطای سوم، رنگ آمیزی غیراصولی شمش ها برای کدگذاری فازهاست. لایه های ضخیم رنگ می توانند مانند عایق حرارتی عمل کرده و مانع دفع گرمای شمش شوند.
بهترین روش، استفاده از وارنیش های حرارتی استاندارد یا رنگ های مخصوص با ضریب انتقال حرارت بالا است. همچنین، باید از رنگ کردن محل اتصال (Contact Area) خودداری کرد. بازرسی های دوره ای با دوربین های ترموگرافی (Thermal Imaging) در زمان بهره برداری، بهترین راه برای شناسایی این خطاهای طراحی و جلوگیری از حوادث پیش از وقوع انفجار است.
طراحی باسبار در تابلو برق یک کارخانه صنعتی با بار متنوع
در یک کارخانه با بارهای متنوع (موتورهای بزرگ، درایوها، روشنایی و کوره های القایی)، سیستم باسبار باید به صورت “ناحیه بندی شده” (Zoning) طراحی شود. باسبارهای اصلی (Main Busbars) باید ظرفیت کامل جریان ورودی را با در نظر گرفتن ضریب هم زمانی داشته باشند، در حالی که باسبارهای فرعی (Distribution Bars) بر اساس بار هر بخش طراحی می شوند.
در نزدیکی کوره های القایی یا تجهیزات با جریان بالا، استفاده از باسبارهای مسی با پوشش قلع (Tin-plated) برای جلوگیری از اکسیداسیون ناشی از بخارات شیمیایی و گرمای محیطی ضروری است. در چنین کارخانه ای، احتمال توسعه های آتی بسیار زیاد است؛ لذا طراحی باسبار باید “ماژولار” باشد تا بتوان بدون تخریب ساختار تابلو، شمش های جدید را به سیستم اضافه کرد.
استفاده از سیستم های “باس داکت” (Busway) در داخل تابلوهای بزرگ MCC، اجازه می دهد فیدرهای کشویی به راحتی به شمش های برق دار متصل شوند. در نهایت، پیش بینی شمش زمین (Earth Busbar) سراسری با سطح مقطع کافی در پایین ترین قسمت تابلو، تضمین کننده ایمنی در برابر خطاهای بدنه و تخلیه بارهای استاتیک در یک محیط صنعتی پر تلاطم است.
سخن پایانی
طراحی باسبار در تابلو برق فشار ضعیف، هنر ترکیب متالورژی، ترمودینامیک و الکترومغناطیس است. شمش های مسی یا آلومینیومی، رگ های حیاتی یک واحد صنعتی هستند که پایداری آن ها مستقیماً به دقت مهندس طراح در محاسبات حرارتی و مکانیکی بستگی دارد.
سوالات متداول طراحی باسبار در تابلو برق فشار ضعیف
- چرا رنگ کردن باسبارها به خنک کاری آن ها کمک می کند؟
برخلاف تصور، یک لایه نازک رنگ مشکی مات، “ضریب تابش” (Emissivity) سطح مس صیقلی را افزایش داده و باعث می شود باسبار گرمای خود را سریع تر به صورت تابشی دفع کند؛ این کار می تواند جریان دهی را تا ۱۵ درصد بهبود بخشد. - حداقل فاصله بین دو باسبار غیر هم فاز در سطح ۴۰۰ ولت چقدر است؟
طبق استاندارد، معمولاً حداقل فاصله هوایی (Clearance) ۸ تا ۱۰ میلی متر در نظر گرفته می شود، اما در عمل برای ایمنی بیشتر در برابر گرد و غبار و رطوبت، این فاصله را ۲۰ میلی متر یا بیشتر لحاظ می کنند. - چه زمانی باید از باسبار دوبل (دو شمش به ازای هر فاز) استفاده کرد؟
معمولاً برای جریان های بالای ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ آمپر، به دلیل اثر پوستی و نیاز به سطح تبادل حرارتی بیشتر، استفاده از دو شمش با فاصله از هم، بسیار کارآمدتر و اقتصادی تر از یک شمش بسیار ضخیم است.
بدون دیدگاه