معرفی کلید اتوماتیک در شبکه فشار ضعیف و انواع آن

در این مقاله قصد داریم تا درباره کلید اتوماتیک و انواع کلید اتوماتیک صحبت کنیم. محافظت از سیستم های وابسته به صنعت برق به خصوص شبکه فشار ضعیف، در مواجهه با ایرادات و سوانح شبکه هم چون اضافه بار و اتصال کوتاه تنها با نصب انواع کلید یا انواع فیوز امکان پذیر می گردد. اما به دلیل ضعف سیستم فیوزها در قطع نمودن هم زمان سه فاز و بروز خطاهای فراوان در واکنش آن ها جهت محافظت از شبکه، بیش تر اوقات امکان استفاده برای حفاظتی مطمئن وجود ندارد. اگر به دنبال مطلبی هستید که درباره کلید اتوماتیک هوایی، کلید اتوماتیک کمپکت، کلیدهای حرارتی یا محافظ موتور و کلیدهای مینیاتوری بخوانید با نیکسا همراه شوید.

معرفی انواع کلید اتوماتیک

برخی شبکه های توزیع نیز باید به محض بازگشت جریان یا ولتاژ یا کاهش بیش از حد ولتاژ، مدار را به طور خودکار قطع و پیام های ضروری را ارسال نمایند. گاهی هم ورود اتوماتیک یا دستی دیزل ژنراتور یا ترانسفورماتور به شبکه توزیع برای برقراری همیشگی فعالیت های شبکه و یا انجام تعمیرات دوره ای آن اجتناب ناپذیر می باشد؛ و تنها در این موارد می توان کلیدهای اتوماتیک به کار برد.

 

 

1. کلید اتوماتیک هوایی (Circuit Breaker: ACBَََ) 

به علت مكانیزم اطفاء جرقه ناشی از اتصال کوتاه (Short Circuit) این كلیدها در محفظه ای با هوای آزاد؛ به آن ها، كلید اتوماتیک هوایی گفته می شود. عمر مفید كلیدهای هوایی دو برابر كلیدهای كامپكت پیش بینی می شود. هم چنین قدرت قطع این كلیدها نسبت به كلیدهای كامپكت بیش تر بوده و به طور معمول بسته به نوع طراحی كلید، بین 55 تا 200 كیلو آمپر می باشد.

مكانیزم عملكرد كلیدهایی هوایی به این صورت است كه فنر شارژ كلید توسط دسته گردننده یا موتور الكتریكی شارژ می شود و كلید به حالت وصل مجدد می رود. در هنگام بروز خطا، رله الكترونیكی با كمك ترانسفورماتورهای نمونه بردار، جریان خطا را حس كرده و در زمان معینی فرمان دشارژ فنر یا به عبارتی فعال ساختن مكانیزم جریان قطع توسط كلید صادر می گردد. به طور كلی مكانیزم شارژ كلیدها یا به شكل گردننده (Rotary) و یا به صورت فنر شارژ شده (Charged Spring) است. كلیدهای هوایی در دو نوع ثابت و كشویی ساخته می شوند و در ساخت تابلو برق صنعتی با توجه به ملزومات طراحی، یكی از این دو نوع کلید را برای بهینه سازی كار تابلو انتخاب می كنند.

 

 

به این جهت که این كلیدها از رله های الكترونیكی و میكروپروسسوری بهره می گیرند، از دقت و انعطاف پذیری بسیار بالایی جهت حفاظت و برقراری سلكتیویتی (Selectivity) -به حداقل رساندن آسیب در  تاسیسات برق صنعتی – در شبكه برخوردارند. مشاهده تصاویر زیر، كلید هوایی را کامل تر معرفی می کند:

 

شکل (1) نمایی کامل از کلید اتوماتیک هوایی (Air Circuit Breaker)

 

شکل (2). کلید اتوماتیک هوایی در تابلو برق

 

شکل (3). طرحی از ساختمان کلید هوایی

 

مشخصه های فنی و منحنی های قطع كلید هوایی

كلیدهای هوایی با توجه به نوع رله حفاظتی نصب شده بر روی آن ها دارای منحنی های گوناگون قطع می باشند كه در بخش زیر به آن ها اشاره می شود:

– مشخصه L (OverLoad Protection) 

این مشخصه وظیفه حفاظت تجهیزات را در مقابل اضافه بار دارد و به طور معمول در دو كلاس با مشخصه i^2*t و یا i^4*t تعریف می گردد. هم چنین این رله ها هم در محور زمان و هم در محور جریان قابل تنظیم می باشند. حفاظت از اضافه بار به طور معمول بر روی منحنی زمان معکوس عمل می کند که با افزایش جریان، زمان قطع کم تر می شود:

 

شکل (4). نحوه عملکرد مشخصه OverLoad Protection

 

– مشخصه S  (Short Time Delay, Short Circuit Protection) 

این مشخصه وظیفه حفاظت تجهیزات در مقابل اتصال كوتاه را بر عهده دارد و در دو محور زمان و جریان قابل تنظیم است. این مشخصه نقشی اساسی در سلكتویتی حفاظت بازی می كند. این حفاظت در برابر جریان بیش از حد مجاز نسبت به جریان قابل قبول تجهیزات است و بلافاصله کار می کند. به محض تشخیص جریان اضافی، دستگاه قطع شده و مدار را قطع می کند:

 

شکل (5). جریان اتصال کوتاه در کلیدهای اتوماتیک

 

– مشخصه I  (Instantaneous Short Circuit Protection) 

این مشخصه وظیفه حفاظت تجهیزات را در مقابل اتصال های كوتاه (فاز به فاز، فاز به نول و فاز به زمین) با قدرت قطع زیاد و در زمان بسیار كوتاه یا آنی را ایفا می كند و تنها در محور جریان قابل تنظیم می باشد:

 

شکل (6). نمایی کامل از کلید هوایی با مشخصه Instantaneous Short Circuit Protection

 

– مشخصه G  (Earth Fault Protection) 

این مشخصه وظیفه حفاظت تجهیزات را در مقابل اتصال كوتاه زمین را دارد كه در دو محور زمان و جریان قابل تنظیم می باشد.

جریان اتصال کوتاه از سیستم عبور می کند. جریان از طریق زمین یا هر وسیله الکتریکی بازگشته و به تجهیزات آسیب می رساند. هم چنین موجب نقصان تداوم تأمین برق می گردد. برای محافظت از تجهیزات و ایمنی افراد، از دستگاه های محافظت در برابر خطا در نصب استفاده می شود. جهت آشكار سازی خطای زمین از روش های زیر استفاده می گردد:

1-آشكار سازی از طریق هادی PE

2- آشكار سازی از طریق جمع جبری جریان های سه فاز

 

شکل (7). دیاگرام عملکرد مشخصه Earth Fault Protection

 

شکل (8). نمایی کامل از کلید هوایی با مشخصه Earth Fault Protection

 

شكل زیر منحنی های هر یک از مشخصه ها را نمایش داده و هم چنین شكاف بین دو نوع فناوری حفاظتی در نسل قدیم (مغناطیسی) و جدید (میكروپروسسوری) را نشان می دهد:

 

 تجهیزات جانبی كلید هوایی (ACB)

تجهیزات جانبی عمومی قابل نصب بر روی كلیدهای هوایی عبارت هستند از:

• موتور الكتریكی (Electrical Motor)
• رله شانت ST ‌(Shunt Trip Breaker)
• رله افت ولتاژ (Under Voltage Relay)
• كنتاكت های كمكی (NO/NC)
• كنتاكت خطا (Fault Contact)

با مشاهده تصاویر زیر، دیدگاه کامل تری نسبت به این تجهیزات، حاصل می شود:

 

شکل (9). رله شانت (Shunt Trip Breaker)

 

شکل (10). رله افت ولتاژ (Under Voltage Relay)

 

شکل (11). كنتاكت های كمكی (Auxiliary Contacts)

 

شکل (12). كنتاكت خطا (Fault Contact)

 

ویدئو(1). نحوه نصب رله شنت تریپ در کلید اتوماتیک

 

طبقه بندی تنظیمات واحدهای حفاظتی در کلیدهای فشار ضعیف

در جدول زیر، بخشی از طبقه بندی تنظیمات تمامی واحدهای حفاظتی در کلیدهای فشار ضعیف مشاهده می شود:

 

 

ادامه جدول طبقه بندی تنظیمات حفاظتی کلیدهای حفاظتی:

 

 

روش تنظیمات واحدهای حفاظتی در کلید هوایی

• واحد حفاظتی Overload

پیک آپ (انرژی راه اندازی) این Function حفاظتی به صورت معمول بزرگ تر یا برابر بیش ترین جریان نامی فیدر آن است. کلاس حرارتی آن نیز بر اساس هماهنگی حفاظتی با کلید پایین دست استخراج می گردد.

 

• واحد حفاظتی Short Time

این Function به دو منظور اتصال های کوتاه با ولتاژ پایین و هماهنگی حفاظتی با منحنی پایین دست استفاده می گردد. مقدار پیک آپ زمانی آن بر مبنای هماهنگی حفاظتی با کلید پایین دست و به طور معمول با اختلاف زمانی 0.1 ثانیه با منحنی آن محاسبه می شود. مقدار پیک جریانی آن نیز بر اساس هماهنگی حفاظتی تعیین می شود.

 

• واحد حفاظتی Instantaneous

از این Function برای اتصال های کوتاه با شدت جریان بالا استفاده می گردد و زمان عملکرد آن، در لحظه است. با توجه به ظرفیت حرارتی بالای کلیدهای ACB و جهت هماهنگی با کلیدهای پایین دست (Down Stream)، می توان این Function را OFF کرد تا حفاظت در برابر اتصال های کوتاه با جریان بالا توسط عملکرد Short Time صورت گیرد.

 

• واحد حفاظتی Ground Fault

از این Function برای خطاهای تک فاز استفاده می گردد و با توجه به این که سیستم ارت از نوع  Types of TN networks می باشد، بنابراین سطح اتصال تک فاز به زمین بسیار بالا بوده و با هر پیک ثبت شده روی کلید هوایی و با حفظ شرایط هماهنگی زمانی (حداقل 0.1 ثانیه) بین دو منحنی، هماهنگی حفاظتی را انجام داد.

 

 

در منحنی Time Current Curves (TCCs) یك نمونه از هماهنگی حفاظتی كلید ACB با منحنی های پایین دست، آمده است. در این شكل، كلیدهای A3000 = 2A-AN7-QI + و كلید + A3000 = 2A-AN7-Q03 + از نوع ACB می باشند و به صورت زمانی با هم هماهنگ شده اند:

 

 

2. كلید اتوماتیک کمپکت (Moulded Case Circuit Breaker: MCCB)

به دلیل این که بدنه این كلیدها به كمك نوع خاصی از قالب های تزریقی ساخته می شوند؛ به آن، بدنه تزریقی یا Molded Case‌ یا کلید اتوماتیک کمپکت گفته می شود و به طور اختصاری به این دسته از كلیدها MCCB‌ اطلاق می شود.

مكانیزم عملكرد این كلیدها در هنگام وقوع خطا مشابه كلیدهای هوایی یا ACB می باشد. به این گونه كه فنر مكانیزم که به صورت دستی یا موتوری شارژ می گردد، در هنگام وقوع خطا دشارژ شده و پل های كلید را باز می كند. به طور معمول با استفاده از یك رله حرارتی (بی متال) و یك رله الكترومغناطیسی، جریان خطای اضافه بار یا اتصال كوتاه توسط كلید تشخیص داده شده و فرمان قطع كلید صادر خواهد شد.

تنوع كلیدهای MCCB‌ مشابه كلیدهای ACB نیست. به این دلیل که ابعاد و وزن این كلیدها نسبت به كلیدهای هوایی كم تر می باشد، در زمانی که فضای تابلو ممكن است با محدودیت رو به رو شود و یا قدرت قطع بالا نیاز نباشد، از این كلیدها استفاده می شود. در شكل زیر یك نمونه از كلیدهای كمپكت تیپ 3VL زیمنس نشان داده شده است:

 

شکل (13). نمایی کامل از کلید کامپکت (Moulded Case Circuit Breaker)

 

واحد حفاظتی این نوع کلیدها در نوع TM و Solid State ساخته می شود. در مطلب زیر به توضیح این نوع کلیدها پرداخته می شود. شکل زیر انواع مشخصه های حفاظتی واحد TM در این کلیدهای حفاظتی را نشان می دهد:

 

 

 

در اشکال زیر انواع واحدهای حفاظتی کلیدهای Solid State نشان داده می شود:

 

 

شکل های زیر نیز ادامه انواع واحدهای حفاظتی کلیدهای Solid State را نشان می دهند:

 

 

تجهیزات جانبی كلید كامپكت (MCCB)

تجهیزات جانبی عمومی قابل نصب برروی كلیدهای MCCB عبارت هستند از:

• موتور الكتریكی (Electrical Motor)
• رله شانت ST ‌(Shunt Trip Breaker)
• رله افت ولتاژ (Under Voltage Relay)

 

روش تنظیمات واحدهای حفاظتی در کلید کامپکت

• واحد حفاظتی Overload

پیک آپ این Function حفاظتی به طور معمول بزرگ تر یا برابر بیش ترین جریان نامی فیدر آن بوده و کلاس حرارتی آن نیز بر اساس هماهنگی حفاظتی با کلید پایین دست استخراج می گردد.

 

• واحد حفاظتی Short Time

این Function به دو منظور اتصال های کوتاه با ولتاژ پایین و هماهنگی حفاظتی با منحنی پایین دست استفاده می گردد. مقدار پیک آپ زمانی آن بر مبنای هماهنگی حفاظتی با کلید پایین دست و به طور معمول با اختلاف زمانی 0.1 ثانیه با منحنی آن محاسبه می شود. مقدار پیک جریانی آن نیز بر اساس هماهنگی حفاظتی تعیین می شود.

 

• واحد حفاظتی Instantaneous

از این عملکرد برای شدت بالای جریان اتصال کوتاه استفاده می گردد و زمان عملکرد آن، آنی می باشد. با توجه به ظرفیت حرارتی پایین کلیدهای MCCB، این Function برخلاف کلیدهای ACB، قابلیت OFF کردن این وضعیت را ندارند و بهتر است در کلیدهای TM روی کم ترین اندازه و در کلیدهایی که دارای Function Short time می باشد؛ روی بیش ترین اندازه تنظیم گردد.

در منحنی TCC زیر، یك نمونه از هماهنگی حفاظتی كلید MCCB با منحنی های پایین دست مشاهده می شود. در شكل زیر كلید C1000 = 1A-AN3-Q01 + از نوع MCCB بوده و با كلید ACB به شماره C1000 = 1A-AN3-QI + هماهنگ می باشد:

 

 

3. کلید حرارتی یا محافظ موتور (Motor Protection Circuit Breaker: MPCB) 

کلید حرارتی جهت محفاظت از موتورهای الکتریکی (الکتروموتور) به طور معمول تا قدرت 50 کیلووات استفاده می گردد. این کلید دارای دو واحد حفاظتی حرارتی (49) و جریان زیاد (50) جهت حفاظت از موتور می باشد.

 

 

شکل (14). نمایی کامل از کلید حرارتی (Motor Protection Circuit Breaker)

مشخصه های فنی و منحنی های قطع کلید حرارتی

منحنی  مشخصه های حفاظتی این کلید در شکل زیر آمده  است:

 

 

کلاس های حرارتی کلیدهای فشار ضعیف حرارتی جهت حفاظت موتور، شش برابر جریان نامی درکلاس های گوناگون و به شرح زیر ساخته می شوند:

 

 

روش تنظیمات واحدهای حفاظتی در کلید حرارتی

در این کلیدها، تنها واحد پیک آپ واحد اضافه بار قابل تنظیم می باشد و سایر مشخصه های حفاظتی آن ثابت است. مقدار پیک آپ Function اضافه بار از 1.50 تا 1.25، بیش ترین جریان نامی بار قابل تنظیم می باشد:

 

شکل (15). ساختار کلید حرارتی – واحد حفاظتی Overload

 

4. کلید مینیاتوری (Miniature Circuit Breaker: MCB)

به طور گسترده ای از دژنكتور (Circuit breaker) مینیاتوری برای حفاظت از كابل ها و اتصالات در برابر اضافه بار و اتصال كوتاه استفاده می شود. در موارد خاص، در سیستم های TN، كلیدهای مینیاتوری حفاظت در برابر شوك را نیز بر عهده دارند. در این موارد این تجهیزات از شوك های حاصل از نقص عایق كه منجر به رخداد ولتاژ لمس (Touch voltage) بسیار بالا می گردد؛ محافظت می نماید.

 

شکل (16). ساختار خارجی و داخلی کلید مینیاتوری (Miniature Circuit Breaker)

 

از مهم ترین ویژگی کلید مینیاتوری آن است که می توان آن ها را در تمامی سیستم های توزیع هم چون ساختمان های مسكونی، اداری و نیزبیش تر صنایع به کار برد. انواع متعدد دژنكتورهای مینیاتوری و طیف وسیع لوازم جانبی آن ها (اتصالات كمكی و اتصالات سیگنال عیب، آزاد كننده های شانت مدار باز و …) موجب می شود تا نیازمندی های گوناگون در كابردهای متفاوت را برآورده نمایند.

در زیر یك نمونه از تابلوی كلیدهای مینیاتوری مشاهده می شود:

 

شکل (17). تابلو برق کلیدهای مینیاتوری (MCB)

 

برای محافظت از تجهیزات برقی، چهار مشخصه قطع (A,B,C,D) به شرح زیر وجود دارد:

1. مشخصه قطع A: این مشخصه به طور خاص مناسب حفاظت از ترانسفورماتور در مدارات اندازه گیری و مدارات الكتریكی با اتصالات بلند می باشد كه مطابق استاندارد IEC 60364-4-41  باید در چهار ثانیه قطع گردنند.
2. مشخصه قطع B: این مشخصه برای مدارات خروجی پریز در ساختمان های مسكونی و اداری است.
3. مشخصه قطع C: مناسب تجهیزاتی است كه در آن ها جریان وصل به صورت قابل ملاحظه ای بالا است. مانند موتورها و لامپ ها.
4. مشخصه قطع D: مناسب تجهیزات تولید كننده پالس، هم چون ترانسفورماتورها، گیره های سولونوئید و خازن ها می باشد.

در شكل زیر منحنی مشخصه قطع تیپ های گوناگون زیر آمده است:

 

 

در جدول زیر به تفاوت های میان دو کلید حرارتی (Motor Protection Circuit Breaker: MPCB) و كلید اتوماتیک كامپكت (Moulded Case Circuit Breaker: MCCB) اشاره می شود: