کلید مینیاتوری تک‌فاز؛ بررسی عملکرد، تیپ و کاربردها

کلید مینیاتوری تک‌فاز (MCB) مدار را در برابر اضافه‌بار و اتصال کوتاه حفاظت می کند. این بریکر برای استفاده در شبکه 230 ولت AC بهینه شده است و در لحظه وقوع خطا به صورت خودکار مدار را قطع می‌کند.

روشنایی و پریز، کولر گازی و پمپ آب، ترانس جوش یا بار با جریان هجومی خیلی بالا رفتار متفاوتی دارند. بنابراین انواع مختلفی از کلید مینیاتوری برای حفاظت از آن ها عرضه شده است.

در ادامه به بررسی تفاوت کلید تک‌پل، 1P+N و دو پل، مکانیزم عملکرد و تیپ‌های عملیاتی B، C، D، K و Z را بررسی می‌کنیم. با من همراه باشید.

کلید مینیاتوری تک‌فاز چیست؟

کلید مینیاتوری یا MCB (Miniature Circuit Breaker) در بازار ایران با نام فیوز مینیاتوری هم شناخته می‌شود. این کلید جایگزین فیوز فشنگی است و بعد از قطع مدار، با یک حرکت دست دوباره وصل می‌شود. این بریکر جریان عبوری از مدار را به صورت دائم اندازه گیری می کند و در صورت عبور جریان بیش از حد مجاز مدار را قطع می کند.

در شبکه تک‌فاز جریان در مسیر رفت از فاز و در مسیر برگشت از نول عبور می‌کند. کلید مینیاتوری تکفاز در سه آرایش مختلف عرضه می شود. آرایش قطب‌ها متناسب با ایمنی پروژه و فضای تابلو انتخاب می شود.

کلید مینیاتوری تک‌پل (1P)

این بریکر تنها یک پل دارد و فقط سیم فاز را قطع می‌کند. سیم نول مستقیما به شینه نول تابلو وصل می‌شود. این کلیدها هیچ کنترلی روی نول ندارد.

دقت کنید اگر در بالادست شبکه جای فاز و نول جابه‌جا شده باشد (Reverse Polarity)، کلید فقط نول را باز می‌کند. در این حالت فاز همچنان برق‌دار می‌ماند. در صورت نیاز به انجام تعمیرات یا تغییرات، تکنسین با مدار برق‌دار روبه‌رو می‌شود!

کلید مینیاتوری یک پل به علاوه نول (1P+N)

کلید 1P+N دو ترمینال برای اتصال به سیم های فاز و نول دارد. حس‌گر حرارتی و مغناطیسی فقط روی مسیر فاز قرار دارد، اما تیغه نول به صورت مکانیکی با تیغه فاز کوپل شده است. بنابراین در صورت وقع تریپ روی فاز، مسیر نول نیز هم‌ زمان باز می‌شود.

لازم به ذکر است این کلید هیچگونه حفاظت جریانی روی مسیر نول ندارد. در برخی مدل‌های کلید مینیاتوری 1P+N عرض کلید معادل یک ماژول (18mm) است. به بیان دیگر، استفاده از این کلید تاثیری در ابعاد تابلو ندارد.

کلید مینیاتوری دو پل (2P)

در کلید مینیاتوری تک فاز دو پل، هر دو قطب مکانیزم حفاظتی دارند و با هم قطع می‌شوند. ابعاد این کلید معادل دو ماژول (36mm) است. این بریکر مدار فاز و نول را به صورت همزمان قطع می‌کند و برای کلید اصلی واحد مناسب است.

کلید مینیاتوری دوپل هرگز جایگزین RCD نیست. MCB فقط اضافه‌جریان را تشخیص می‌دهد و نشتی کم جریان به سمت زمین را حس نمی‌کند. برای محافظت پرسنل از برق‌گرفتگی در محیط مرطوب، استفاده از RCD الزامی است.

جدول زیر سه ساختار مینیاتوری تک فاز را از نظر حفاظت، قطع نول و فضای اشغال‌ شده مقایسه می‌کند.

مکانیزم عملکرد کلید مینیاتوری

ساختار داخلی و مکانیزم عملکرد انواع کلید مینیاتوری تکفاز تقریبا یکسان است. در معماری MCB یک کنتاکت اصلی تعبیه شده است که مسیر عبور جریان است. همچنین مکانیزم حرارتی-مغناطیسی (Thermal-Magnetic) وظیفه تشخیص خطا را بر عهده دارد.

محفظه خاموش‌کننده قوس وظیفه کنترل جرقه های ناشی از جداشدن تیغه های ثابت و متحرک را بر عهده دارد. بخش حرارتی اضافه‌بارهای تدریجی را تشخیص می‌دهد و بخش مغناطیسی اتصال کوتاه را در کسری از ثانیه قطع می‌کند.

جزئیات بیشتر درباره اجزای داخلی MCB را در مقاله کلید مینیاتوری چیست ببینید.

حفاظت در برابر اضافه‌بار

هر مصرف‌کننده الکتریکی جریان نامی مشخصی دارد. در صورتی که جریان مصرفی بیشتر از مقدار نامی  شود، مدار در حالت اضافه‌بار قرار می‌گیرد. به عنوان مثالی از این وضعیت می توان به اتصالی در سیم پیچ موتور و افزایش جریان عبوری از آن اشاره کرد.

این وضعیت سبب افزایش دمای موتور (یا مصرف کننده دیگر) شده و عمر مفید سیستم را به شدت کاهش می دهد. تشخیص اضافه بار بر عهده بی‌متال (Bimetal) است که از پرس طولی دو فلز با ضریب انبساط متفاوت ساخته می‌شود.

عبور جریان زیاد بی‌متال را گرم می‌کند (P = I² × R). فلزی که بیشتر منبسط می‌شود تیغه را به سمت فلز دیگر خم می‌کند. خمیدگی تیغه ضامن مکانیکی را آزاد می‌کند و کنتاکت‌ها باز می‌شوند. زمان باز شدن تیغه ها پس از اضافه بار در جریان های مختلف و طبق استاندارد IEC 60898-1 متفاوت است.

به عنوان مثال برای کلید مینیاتوری با جریان نامی تا 63 آمپر، افزایش جریان عبوری به 1.13 برابر جریان نامی تا مدت یک ساعت مجاز است و بیمتال نباید عمل کند. اما در صورت افزایش جریان عبوری به 1.45 برابر جریان نامی، بیمتال باید در کمتر از یک ساعت مدار را قطع کند.

خنک شدن بیمتال فرآیندی زمانبر است به بیان دیگر بی‌متال بعد از تریپ حرارتی همچنان داغ می‌ماند. این ویژگی حافظه حرارتی (Thermal Memory) نامیده می شود. اگر کلید پس از تریپ حرارتی بلافاصله وصل شود و اضافه‌بار برطرف نشده باشد، کلید زود‌تر از حالت سرد تریپ می‌کند.

این رفتار عایق کابل را در برابر افزایش دمای بیش از حد مجاز محافظت می‌کند. قبل از وصل دوباره کلید مینیاتوری باید علت اضافه‌بار را پیدا و برطرف کنید.

حفاظت در برابر اتصال کوتاه

در مدار تکفاز اتصال کوتاه وقتی رخ می‌دهد که فاز و نول به هم برخورد کنند. جریان اتصال کوتاه در یک لحظه به چند صد یا چند هزار آمپر (بسته به شرایط مدار) می رسد. یک بوبین الکترومغناطیسی که با مسیر جریان سری شده است، اتصال کوتاه را تشخیص می دهد.

عبور جریان بزرگ یک میدان مغناطیسی قوی در بوبین ایجاد می‌کند. این میدان قدرت غلبه بر نیروی فنر نگهدارنده را دارد در نتیجه هسته فلزی داخل بوبین را به سرعت جابه‌جا و کنتاکت‌ها را باز می‌کند. طبق منحنی IEC 60898-1 آستانه تشخیص و زمان بازکردن مدار بعد از اتصال کوتاه در کلاس های کاری مختلف متفاوت است.

هنگام جدا شدن تیغه‌ها، هوای بین کنتاکت‌ها یونیزه می‌شود و قوس الکتریکی (Electric Arc) با دمای بسیار بالا شکل می‌گیرد. نیروی مغناطیسی جریان قوس را به محفظه جرقه‌گیر (Arc Chute) می‌راند. صفحات فلزی موازی قوس را به قوس‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کنند، ولتاژ قوس بالا می‌رود و جرقه در اولین گذر از صفر خاموش می‌شود.

انواع کلید مینیاتوری تک‌فاز بر اساس تیپ

مصرف‌کننده‌های برقی در لحظه شروع به کار رفتار متفاوتی دارند. به عنوان مثال بار مقاومتی در لحظه وصل جریان هجومی ندارد اما جریان راه اندازی موتور تا 8 برابر جریان نامی (Inrush Current) می رسد. شرایط حفاظت از بارهای مختلف متفاوت است. مثلا عبور جریان 2 برابر مقدار نامی از بار مقاومتی به معنای اتصال کوتاه است ولی در مورد موتور تا 8 برابر جریان نامی در لحظه راه اندازی مجاز است!

برای حفاظت از مصرف کننده های مختلف، انواع مختلفی از کلید مینیاتوری مورد نیاز است که آستانه قطع مغناطیسی متفاوتی داشته باشند. این تفاوت در کلاس کاری یا تیک کلید مینیاتوری منعکس می شود. آستانه قطع مغناطیسی MCB برحسب مضربی از جریان نامی کلید (In) بیان می‌شود.

جدول زیر آستانه قطع مغناطیسی و استاندارد تیپ های مختلف کلید مینیاتوری را نشان می‌دهد. تیپ‌های B، C و D در استاندارد IEC 60898-1 تعریف شده‌اند. تیپ‌های K و Z معمولاً طبق استاندارد IEC 60947-2 ساخته می‌شوند اما بعضی مدل‌ها هر دو استاندارد را برای K و Z اعلام کرده اند.

برای تیپ K و Z بازه دقیق بین سازنده های مختلف کمی فرق می‌کند. برای اطلاعات بیشتر دیتاشیت محصولات را مطالعه کنید.

کلید مینیاتوری تیپ B

مینیاتوری تیپ B عبور جریانی معادل 3 برابر جریان نامی را تا 0.1 ثانیه تحمل می کند. اما با رسیدن به 5 برابر جریان نامی در کمتر از 0.1 ثانیه مدار را قطع می‌کند. تیپ B برای حفاظت از بارهای مقاومتی و روشنایی مناسب است.

در بین بارهای روشنایی، درایور LED رفتار متفاوتی دارد و یک استثنا است. درایور در لحظه وصل برای مدتی بسیار کوتاه جریان هجومی بالایی می‌کشد. جمع این پیک‌ها (تعداد چراغ زیاد) می‌تواند سبب تریپ کردن مینیاتوری تیپ B شود.

برای غلبه براین چالش باید تعداد چراغ LED روی کلید مینیاتوری تکفاز تیپ B را کم کنید یا از کلید تیپ C استفاده کنید. عموما سازنده درایو حداکثر تعداد مجاز برای هر کلید را اعلام می کند.

کلید مینیاتوری تکفاز تیپ C

جریان راه اندازی بار سلفی و موتوری به راحتی از 5 برابر جریان نامی عبور می‌کند. تیپ C در 5 برابر جریان نامی تا 0.1 ثانیه عمل نمی‌کند اما در صورت رسیدن جریان عبوری به 10 برابر جریان نامی، بلافاصله مدار را قطع می کند.

به همین دلیل پیک راه‌اندازی کولر گازی، پمپ آب خانگی و یخچال تریپ کاذب ایجاد نمی‌کند. در صورت بروز اتصال کوتاه واقعی و اضافه‌بار طولانی‌مدت، مینیاتوری تایپ C مدار را قطع می‌کند.

کلید مینیاتوری تیپ D

برای مصرف کنندگانی که جریان هجومی خیلی سنگینی دارند، تیپ C هم تریپ کاذب می‌دهد. کلید مینیاتوری تکفاز تیپ D آستانه قطع آنی را به 10 تا 20 برابر جریان نامی می‌رساند. ترانس جوش و موتور با اینرسی بالا رایج ترین کاربردهای تیپ D هستند.

در صورت استفاده از بانک خازنی، جریان هجومی به ظرفیت بانک و آرایش مدار بستگی دارد. توصیه می شود برای حفاظت از بانک خازنی کلید مینیاتوری را براساس مستندات سازنده انتخاب کنید.

تیپ‌های K و Z در تابلوی کنترل

تیپ Z آستانه پایینی دارد و برای حفاظت از مدار الکترونیکی و ابزار دقیق استفاده می شود. این تیپ در خطی که امپدانس بالا و جریان اتصال کوتاه کم دارد قطع آنی می‌دهد. تیپ K برای بار سلفی با پیک جریان هجومی بالا طراحی شده است. جزئیات بیشتر در مورد بازه قطع این کلیدها را از دیتاشیت بخوانید.

انواع کلید مینیاتوری تکفاز و سطح مقطع سیم

کلید مینیاتوری از کابل نیز محافظت می‌کند؛ بنابراین جریان نامی آن نباید از جریان مجاز کابل بیشتر باشد. اگر ظرفیت کلید مینیاتوری  بیشتر از ظرفیت سیم باشد، سیم در اثر اضافه‌بار گرم می‌شود و کلید مینیاتوری تریپ نمی کند! جدول زیر ترکیب‌های رایج مدار تک‌فاز مسی را نشان می‌دهد.

مرجع مقایسه این جدول، استاندارد IEC 60364-5-52 است و مبنای پروژه های ساختمانی است. این جدول برای کابل مسی با عایق PVC در لوله روی دیوار (روش نصب B1) و دمای 30 درجه تنظیم شده است. جریان مجاز کابل پس از اعمال ضرایب دما و تجمع، از جریان نامی کلید مینیاتوری نباید کمتر باشد.

راهنمای انتخاب کلید مینیاتوری تک فاز

کلید مینیاتوری مدار را در برابر خطاهای اضافه بار و اتصال کوتاه حفاظت می کند. با توجه به اهمیت حفاظت از مدار الکتریکی، انتخاب کلید مینیاتوری مناسب بسیار ضروری است. با در نظر گرفتن پارامترهای عملیاتی زیر، MCB مناسب را انتخاب کنید:

• جریان نامی (In)
• ظرفیت شکست (Icn)
• مشخصات تریپ یا کلاس کاری
• تعداد پل کلید مینیاتوری
• ولتاژ کاری
• استاندارد و شرایط محیطی محل استفاده

جزئیات بیشتر در مورد انتخاب MCB را در راهنمای انتخاب کلید مینیاتوری ببینید.

جمع‌بندی

انتخاب کلید مینیاتوری تک‌فاز سه گام دارد. اول جریان نامی را از جریان مصرف‌کننده، ضریب دما و ضریب گروه به دست آورید. جریان کلید نباید از جریان مجاز کابل بالاتر برود. در مرحله دوم تیپ کاری کلید را براساس جریان هجومی بار تعیین کنید:

• B برای بار مقاومتی و روشنایی
• C برای موتور و کمپرسور
• D برای جریان هجومی خیلی بالا

سوم ظرفیت شکست را با جریان اتصال کوتاه تابلو تطبیق دهید.

ما در زیمنس کالا انواع کلید مینیاتوری زیمنس را در تیپ‌های B و C، تک‌پل و دو پل، با ضمانت اصالت کالا عرضه می‌کنیم. اگر برای انتخاب کلید به مشاوره نیاز دارید، با کارشناسان فنی ما در تماس باشید. همین الان کد مورد نظر خود را برای استعلام و ثبت سفارش ارسال کنید.