فهرست مطالب
مقدمه
در طراحی و اجرای سیستمهای برق صنعتی و ساختمانی، انتخاب صحیح سطح مقطع یا تعیین سایز کابل (Cable Sizing) یکی از مراحل حساس و حیاتی محسوب میشود ⚙️. هر کابل باید قادر باشد در شرایط کاری نرمال، جریان نامی مدار را بدون افزایش دمای غیرمجاز تحمل کند. اما نکتهای که بسیاری از طراحان تازهکار از آن غافل میشوند، توانایی کابل در برابر جریان اتصال کوتاه (Short Circuit Current) است.
محاسبه اتصال کوتاه (Short Circuit Calculation) یکی از پارامترهای کلیدی در تعیین سایز کابل های زمینی ، کابل هایی روکش دار و حتی کابل خودنگهدار است، زیرا هنگام وقوع خطا، جریان شدیدی در مدار جاری میشود که در مدت زمان بسیار کوتاه (معمولاً کمتر از یک ثانیه) میتواند باعث آسیب جدی به هادی، عایق و تجهیزات متصل به مدار گردد 🔥. بنابراین، کابل انتخابی باید تحمل حرارتی کافی برای عبور این جریان را داشته باشد تا از خطراتی مانند ذوبشدن عایق یا آتشسوزی جلوگیری شود.
در واقع، بدون انجام دقیق محاسبه اتصال کوتاه، حتی اگر کابل از نظر جریان نامی درست انتخاب شود، ممکن است در لحظه وقوع خطا دچار آسیب جبرانناپذیر شود. در این مقاله از امیران برق، به بررسی اصول محاسبه جریان اتصال کوتاه، نحوه تعیین سایز کابل بر اساس آن، و ارائه جدولها و مثالهای کاربردی بر اساس استاندارد IEC 724 خواهیم پرداخت تا شما بتوانید با اطمینان بیشتری طراحی و انتخاب کابلهای خود را انجام دهید ⚡.
❓ جهت مشاوره چگونه میتوان با کارشناسان امیران برق ارتباط برقرار کرد؟
برای دریافت مشاوره و استعلام قیمت کابل فاصلهدار میتوانید از راههای زیر اقدام کنید:
🌐 وبسایت: www.amiranbargh.com
💬 واتساپ: ارتباط مستقیم با کارشناسان
📱 تلگرام: t.me/amiranbargh
💼 لینکدین: linkedin.com/company/amiranbargh
اتصال کوتاه چیست؟
تعریف اتصال کوتاه
اتصال کوتاه (Short Circuit) حالتی است که در آن، دو یا چند نقطه با پتانسیلهای متفاوت در مدار الکتریکی، بهصورت مستقیم و بدون مقاومت یا امپدانس کافی به یکدیگر متصل میشوند. این پدیده باعث میشود جریان بسیار بزرگی از مسیر ناخواسته عبور کند که چندین برابر جریان نامی مدار است. در نتیجه، دمای کابلها، تجهیزات و نقاط اتصال به سرعت افزایش یافته و میتواند منجر به سوختگی، ذوب عایق یا حتی آتشسوزی شود 🔥.
در شرایط نرمال، کابل و تجهیزات به گونهای انتخاب میشوند که در برابر جریان عادی مدار مقاوم باشند؛ اما در شرایط اتصال کوتاه، اگر محاسبه اتصال کوتاه بهدرستی انجام نشده باشد، تعیین سایز کابل نیز اشتباه خواهد بود و کابل در همان لحظه اولیه خطا تخریب میشود.
بهطور کلی، هدف از انجام محاسبات اتصال کوتاه، تعیین مقدار جریان لحظهای و انتخاب تجهیزاتی است که بتوانند این جریان را تحمل یا قطع کنند، از جمله فیوزها، کلیدهای اتوماتیک (Circuit Breakers) و کابلهای قدرت (Power Cables).
انواع اتصال کوتاه
اتصال کوتاه میتواند به شکلهای مختلفی رخ دهد که هرکدام بسته به نوع سیستم (تکفاز، سهفاز) و نحوه توزیع بار، جریان متفاوتی تولید میکنند. در ادامه مهمترین انواع آن را بررسی میکنیم:
اتصال کوتاه تکفاز (Single Phase Fault)
در این حالت، یکی از فازها مستقیماً به زمین یا نول متصل میشود. این نوع خطا معمولاً در سیستمهای توزیع فشار ضعیف (Low Voltage Distribution Systems) بیشتر رخ میدهد.
شدت جریان در این نوع اتصال معمولاً کمتر از اتصال سهفاز است، اما به دلیل وقوع در نزدیکی مصرفکننده، آسیبپذیری بالایی دارد.
اتصال کوتاه دو فاز (Double Phase Fault)
در اتصال دو فاز، دو هادی فاز بهطور مستقیم با یکدیگر در تماس قرار میگیرند. این وضعیت نسبت به اتصال تکفاز جریان بالاتری ایجاد میکند و ممکن است باعث افزایش شدید دما در هادیها شود.
در چنین حالتی، اگر سایز کابل بهدرستی انتخاب نشده باشد، عایق بین دو فاز به سرعت تخریب میشود و کابل از مدار خارج خواهد شد.
اتصال کوتاه سهفاز (Three Phase Fault)
این نوع خطا شدیدترین و خطرناکترین حالت ممکن است. در این وضعیت، سه فاز مستقیماً به هم یا به زمین متصل میشوند و جریان اتصال کوتاه به حداکثر مقدار خود میرسد ⚠️.
محاسبه اتصال کوتاه در این شرایط برای تعیین سایز کابل و انتخاب تجهیزات حفاظتی اهمیت ویژهای دارد، زیرا خطای سهفاز میتواند در کمتر از یک ثانیه، کابل یا ترانسفورماتور را کاملاً از بین ببرد.
در نتیجه، در هر نوع سیستم برقی، باید بر اساس نوع اتصال کوتاه محتمل، محاسبات اتصال کوتاه بهدقت انجام شود تا از انتخاب نادرست کابل و تجهیزات حفاظتی جلوگیری گردد.
🔹 نحوه محاسبه جریان اتصال کوتاه
⚙️ مقدمهای بر محاسبه جریان اتصال کوتاه
هدف از محاسبه اتصال کوتاه (Short Circuit Calculation)، تعیین مقدار جریانی است که در لحظه وقوع خطا از مدار عبور میکند. این مقدار برای انتخاب صحیح تجهیزات حفاظتی و همچنین تعیین سایز کابل (Cable Sizing) ضروری است.
اگر جریان اتصال کوتاه به درستی محاسبه نشود، ممکن است کابل انتخابشده توان حرارتی لازم برای عبور این جریان را نداشته باشد، که در نتیجه منجر به آسیب به عایق یا سوختگی هادیها خواهد شد ⚡.
📐 فرمول عمومی محاسبه جریان اتصال کوتاه
جریان اتصال کوتاه معمولاً از رابطهی زیر بهدست میآید:
که در آن:
IscI_{sc}: جریان اتصال کوتاه بر حسب آمپر (Short Circuit Current)
VLLV_{LL}: ولتاژ خط به خط سیستم بر حسب ولت (Line-to-Line Voltage)
ZtotalZ_{total}: امپدانس کل مدار از منبع تا نقطه خطا بر حسب اهم (Total Impedance)
در سیستمهای تکفاز، رابطه به شکل زیر تغییر میکند:
که در آن VLNV_{LN} ولتاژ فاز به نول (Line-to-Neutral Voltage) است.
⚡ اجزای مؤثر در محاسبه اتصال کوتاه
امپدانس منبع تغذیه (Source Impedance)
شامل مقاومت داخلی ژنراتور یا ترانسفورماتور است.طول و نوع کابل
هرچه طول کابل بیشتر باشد، مقاومت و راکتانس افزایش یافته و جریان اتصال کوتاه کاهش مییابد.نوع عایق و سطح مقطع کابل
در تعیین سایز کابل، نوع عایق (PVC یا XLPE) تأثیر مستقیم در تحمل حرارتی دارد.مقاومت و راکتانس شبکه (Network Impedance)
این مقادیر معمولاً از دادههای شبکه یا کاتالوگهای سازندگان تجهیزات به دست میآید.
📊 روش گامبهگام محاسبه اتصال کوتاه تعیین مشخصات سیستم: ولتاژ نامی، نوع سیستم (تکفاز یا سهفاز)، و محل خطا.
محاسبه امپدانس مؤلفهها: شامل امپدانس کابل، ترانس و سایر تجهیزات.
محاسبه امپدانس کل (Ztotal): با جمع برداری مقاومتها و راکتانسها.
محاسبه جریان اتصال کوتاه (Isc): با استفاده از فرمول بالا.
مقایسه مقدار محاسبهشده با حد تحمل کابل:
بر اساس آزمون یکثانیهای (1s Test) و جدول استاندارد IEC 724.
📘 نکته مهم
در بسیاری از نرمافزارهای مهندسی مانند ETAP یا DigSILENT PowerFactory، این محاسبات بهصورت خودکار انجام میشود. بااینحال، در طراحی دستی، دانستن فرمولها و روابط پایه برای انتخاب صحیح کابل ضروری است.
در نهایت، هدف از محاسبه دقیق جریان اتصال کوتاه، اطمینان از این است که کابل انتخابی نهتنها در شرایط نرمال بلکه در بدترین شرایط خطا نیز دوام و ایمنی لازم را داشته باشد.
🔹 جدول آزمون یکثانیهای کابلها با عایق PVC و XLPE مطابق با IEC 724
📘 آزمون یکثانیهای چیست؟
یکی از معیارهای اصلی برای تعیین سایز کابل (Cable Sizing)، بررسی توانایی کابل در تحمل جریان اتصال کوتاه (Short Circuit Current) در مدت زمان مشخص است.
استاندارد IEC 724 مشخص میکند که کابلها باید بتوانند جریان اتصال کوتاه را بهمدت یک ثانیه بدون آسیب دائمی به هادی یا عایق تحمل کنند. به این آزمون، One Second Short-Circuit Test گفته میشود ⚡.
در این تست، کابل تحت جریان اتصال کوتاه معادل با جریان طراحیشدهاش قرار میگیرد. اگر پس از یک ثانیه، دمای هادی از حد مجاز فراتر نرود و عایق آسیبی نبیند، کابل قابلقبول تلقی میشود.
🔍 فرمول محاسبه جریان مجاز اتصال کوتاه بر اساس آزمون یکثانیهای
که در آن:
II: جریان اتصال کوتاه مجاز بر حسب آمپر (Permissible Short-Circuit Current)
kk: ضریب وابسته به جنس هادی و نوع عایق (Material Factor)
SS: سطح مقطع هادی بر حسب میلیمتر مربع (Cross Section Area)
tt: مدت زمان جریان اتصال کوتاه (ثانیه)
⚙️ مقادیر ضریب k بر اساس نوع کابل
نوع هادی | نوع عایق | ضریب K (A-s^0.5/mm^2) | حداکثر دمای مجاز (C.) |
|---|---|---|---|
4.5 | 10 | 2.77*12 | 70 |
4.5 | 13.2 | 3.3*15 | 120 |
4.5 | 14.8 | 3.66*15 | 150 |
4.5 | 16.2 | 2.88*30 | 185 |
🔹 این مقادیر از استاندارد IEC 724 / IEC 60949 استخراج شدهاند.
🔹 جدول آزمون یکثانیهای کابلها با عایق PVC و XLPE مطابق با IEC 724
📊 جدول جریان مجاز یکثانیهای برای کابلهای مسی و آلومینیومی
سطح مقطع کابل سطح مقطع کابل | سیم مسی عایق PVC | سیم مسی با عایق XLPE | سیم آلومینیوم با عایق PVC | سیم آلومینیوم با عایق XLPE |
|---|---|---|---|---|
16 | 1.840 | 2.290 | 1.220 | 1.510 |
25 | 2.880 | 3.580 | 1.910 | 2.350 |
35 | 4.030 | 5.010 | 2.670 | 3.290 |
50 | 5.760 | 7.160 | 3.820 | 4.710 |
70 | 8.070 | 10.010 | 5.350 | 6.600 |
95 | 10.970 | 13.610 | 7.280 | 8.990 |
120 | 13.860 | 17.180 | 9.180 | 11.330 |
150 | 17.320 | 21.430 | 11.460 | 14.150 |
185 | 21.360 | 26.470 | 14.120 | 17.440 |
🔹 اعداد فوق برای مدت زمان 1 ثانیه محاسبه شدهاند و بر اساس استانداردهای IEC 724 / IEC 60949 میباشند.
🔹 تفاوت چشمگیر بین کابلهای مسی و آلومینیومی نشان میدهد که در شرایط یکسان، کابل مسی توان عبور جریان اتصال کوتاه بیشتری دارد، در حالی که کابل آلومینیومی اقتصادیتر ولی از نظر حرارتی محدودتر است ⚖️.
⚡ نکته طراحی
در زمان محاسبه اتصال کوتاه (Short Circuit Calculation) و انتخاب سطح مقطع مناسب، باید هم جریان نامی مدار و هم ظرفیت حرارتی در زمان اتصال کوتاه بررسی شود. اگر جریان اتصال کوتاه واقعی از مقادیر جدول بالاتر باشد، لازم است سطح مقطع بزرگتری برای کابل انتخاب شود تا ایمنی شبکه تضمین گردد 🔧.
🔹 مثال کاربردی برای محاسبه سایز کابل
در این بخش با یک مثال واقعی، نحوهی انجام محاسبه اتصال کوتاه (Short Circuit Calculation) و سپس تعیین سایز کابل (Cable Sizing) را گامبهگام بررسی میکنیم ⚙️.
📘 مشخصات مدار
فرض کنید مدار سهفازی زیر داریم:
ولتاژ نامی سیستم: 400 ولت (Line to Line Voltage)
طول کابل: 40 متر
منبع تغذیه: ترانسفورماتور 400 kVA با امپدانس 5%
نوع کابل: تککور (Single Core) با عایق XLPE
جنس هادی: مس (Copper)
زمان عملکرد کلید حفاظتی (t): 1 ثانیه
هدف: محاسبه جریان اتصال کوتاه در نقطه مصرف و تعیین سایز کابل مناسب
⚡ گام اول: محاسبه جریان اتصال کوتاه در ترمینال ترانس
ابتدا جریان اتصال کوتاه در محل ترانس را محاسبه میکنیم:
که در آن:
محاسبه:
⚙️ گام دوم: محاسبه افت جریان اتصال کوتاه در طول کابل
برای طول 40 متر کابل مسی 50mm² با XLPE، امپدانس تقریبی هر متر برابر است با:
بنابراین :
در نتیجه، جریان اتصال کوتاه در انتهای کابل بهصورت زیر خواهد بود:
اما چون در محاسبه قبلی حداکثر جریان ترانس حدود 11.5 kA بود، مقدار واقعی جریان اتصال کوتاه در مصرفکننده برابر با همان 11.5 kA در نظر گرفته میشود.
🔍 گام سوم: بررسی تحمل حرارتی کابل
بر اساس جدول استاندارد (IEC 724):
کابل مسی 50mm² با عایق XLPE → تحمل جریان اتصال کوتاه در مدت 1 ثانیه = 7,160 A
از آنجایی که جریان اتصال کوتاه مدار ما 11,500 A > 7,160 A است ❌
→ این کابل مناسب نیست و باید سایز بزرگتری انتخاب شود.
⚙️ گام چهارم: انتخاب سایز مناسب کابل
با رجوع به جدول:
کابل 70mm² → 10,010 A ❌ هنوز کافی نیست
کابل 95mm² → 13,610 A ✅ قابل قبول است
بنابراین، کابل مناسب برای این مدار:
کابل مسی 95mm² با عایق XLPE
این کابل میتواند جریان اتصال کوتاه 11.5kA را در مدت 1 ثانیه بدون آسیب تحمل کند ✅
💡 نتیجه محاسبات
پارامتر | مقدار | واحد |
|---|---|---|
ولتاژ سیستم | 400 | V |
توان ترانس | 400 | KVA |
امپدانس ترانس | 5 | % |
جریان اتصال کوتاه محاسبه شده | 11.5 | KA |
نوع کابل انتخابی | Cu/Xlpe | |
سایز مناسب کابل | 95 | mm^2 |
مدت زمان آزمون | 1 | S |
🔹 نتیجهگیری
در این مقاله به بررسی اهمیت حیاتی محاسبه اتصال کوتاه (Short Circuit Calculation) در فرآیند تعیین سایز کابل (Cable Sizing) پرداختیم و نشان دادیم که تنها در شرایط کاری عادی انتخاب کابل کافی نیست؛ بلکه باید ظرفیت حرارتی کابل برای عبور جریان اتصال کوتاه در مدت زمان خطا نیز در نظر گرفته شود. با استفاده از فرمولها و جدولهای استاندارد (IEC) و نیز یک مثال عددی، روند انتخاب کابل مناسب را به صورت گامبهگام تشریح کردیم.
اگر در طراحی سیستم برقی خود نیاز به راهنمایی دارید یا نمیدانید چگونه محاسبه اتصال کوتاه را برای پروژهتان انجام دهید، کارشناسان امیران برق آمادهاند شما را راهنمایی کنند. شما میتوانید به صورت ۲۴ ساعته از طریق واتساپ، تلگرام یا تماس مستقیم از وبسایت با ما ارتباط برقرار کنید تا مناسبترین کابل را بر اساس شرایط خاص شما پیشنهاد دهیم. این تضمین را میدهیم که راهنمایی ما ضمن دقت مهندسی، با در نظر گرفتن عوامل اقتصادی نیز همراه باشد ⚡
منابع
IEC 60949:1988 – Calculation of thermally permissible short-circuit currents
این استاندارد روش محاسبه جریان اتصال کوتاه مجاز با لحاظ تأثیرات حرارتی غیرآدیاباتیک را ارائه میدهد. IEC WebstoreIEC 60724:2000 – Short-circuit temperature limits of electric cables with rated voltages of 1 kV / 3 kV
راهنمای تعیین حداکثر دماهای مجاز کابلها در شرایط اتصال کوتاه برای سیستمهای با ولتاژ پایین. iTeh Standards+2ITEH Standards+2Prysmian — Cable Short Circuit Ratings
در این سند، شرکت پریسمیان روش محاسبه جریان اتصال کوتاه کابلها را بر اساس استاندارد IEC 60949 توضیح داده است. uk.prysmian.com“Short Circuit Current Calculation (IEC 60949)” — CableDataSheet (Design Department)
مفاهیم محاسبه جریان اتصال کوتاه به همراه فرمولهای مرتبط و ملاحظات مهندسی در این مقاله توضیح داده شده است. cabledatasheet.com“Non-adiabatic effects” — MyCableEngineering
توضیحاتی درباره تأثیرات غیرآدیاباتیک در محاسبه جریان اتصال کوتاه ارائه میکند. mycableengineering.com“Cable Short Circuit Testing: HPL Experience”
مقالهای پژوهشی درباره آزمونهای اتصال کوتاه کابلها در صنعت برق هند. cprijournal.in
