کلید هوایی چیست و چه کاربردهایی دارد؟

حفاظت از مدار الکتریکی در برابر خطاها ضروری است. برای رسیدن به این هدف از بریکرها استفاده می شود. کلید هوایی یک بریکر است که به صورت ویژه برای حفاظت از مدار الکتریکی جریان بالا طراحی شده است. این بریکر علاوه بر حفاظت از مدار، امکان قطع و وصل مدار را نیز فراهم می کند.

در گذشته از کلید روغنی در مدارهای جریان بالا استفاده می شد. چالش هایی مانند هزینه بالای تعمیر و نگهداری و احتمال بالای آتش سوزی سبب جایگزینی کلید روغنی با کلید هوایی شد. این بریکر به منظور حفاظت در برابر اتصال کوتاه، اضافه جریان  و برخی خطاهای دیگر مورد استفاده قرار می گیرد.

با بررسی بیشتر ساختار و عملکرد این بریکرها همراه من باشید.

بریکر و حفاظت از مدار

وقوع خطا در مدار الکتریکی اجتناب ناپذیر است. فرسودگی دستگاه ها، مشکلات سیم کشی و خطای انسانی از جمله رایج ترین دلایل وقوع خطای الکتریکی است. فارغ از دلیل وقوع و نوع خطا، حفاظت از مدار در برابر خطاها ضروری است. عدم تشخیص به موقع خطا سبب بروز آتش سوزی شده و خسارات سنگینی به همراه دارد.

این چالش در مدارهای جریان بالا جدی تر است. به منظور حفاظت از مدار در برابر خطاها از تجهیزات مختلفی استفاده می شود. یکی از این تجهیزات بریکر است. بریکر علاوه بر حفاظت از مدار در بر ابر خطا، مسیر جریان را نیز قطع و وصل می کند.

ویژگی های بریکر را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• مدار را در شرایط عادی به صورت دستی یا با کنترل از راه دور قطع و وصل می کند.
• در زمان وقوع خطا مدار را به صورت خودکار قطع می کند.
• پس از برطرف شدن خطا، امکان وصل مدار به صورت دستی یا با کنترل از راه دور را دارد

بریکرها کاربرد گسترده ای در صنایع و سیستم های قدرت دارند. استفاده از بریکر پایداری و قابلیت اعتماد سیستم را ارتقا می دهد.

بریکرها کاربرده گسترده و انوع مختلفی دارند. از جمله پرکاربردترین نمونه های بریکر می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کلید مینیاتوری
• کلید حرارتی
• کلید اتوماتیک
• کلید هوایی
• بی متال

رنج جریان، خطاهای قابل تشخیص و قابلیت های عملیاتی بریکرهای مختلف با هم متفاوت است.

کلید هوایی چیست؟

این بریکر با نام ACB شناخته می شود که مخفف عبارتAir Circuit Breaker  است. این بریکر قادر است مدار الکتریکی را در برابر اتصال کوتاه، اضافه جریان و برخی خطاهای دیگر محافظت می کند. ACB به صورت ویژه برای استفاده در مدار جریان بالا طراحی شده است. رنج جریان این بریکر از 630 آمپر تا 10 کیلو آمپر را پوشش می دهد.

اساس کار ACB مانند سایر بریکرها است. افزایش جریان از مقدار مشخص شده سبب می شود کلید تریپ کرده و مدار را قطع کند. برای قطع شدن مسیر جریان لازم است تیغه ها از هم جدا شوند. در نتیجه این اتفاق جرقه های بزرگی تولید می شود که باید کنترل شوند. کلید هوایی از هوای فشرده برای کنترل جرقه استفاده می کند .

کنتاکت ها از آلیاژ مس یا نقره ساخته می شوند و در مقابل جریان زیاد مقاومند. در صورت وقوع خطا،ACB   تیغه را باز و جریان را متوقف می کند. این کار از وقوع آتش سوزی و خسارات جبران ناپذیر احتمالی پیشگیری می کند.

ACB  در کاربردهای ولتاژ متوسط تا بالا مانند نیروگاه، سکوهای نفت و گاز، صنایع و ساختمان های تجاری بزرگ استفاده می شود. کلید هوایی به راحتی پس از قطع مدار، دوباره تنظیم می شود. این قابلیت زمان خرابی را به حداقل رسانده و خطر آسیب دیدن تجهیزات یا فرآیندها را کاهش می دهد.

ACB  جایگزین بریکرهای روغنی (Oil Circuit Breakers) شده است. یکی از چالش های بریکر روغنی، احتمال بالای انفجار روغن در اثر وقوع جرقه های بزرگ است. با استفاده از هوا به عنوان خنک کننده کنتاکت ها، احتمال وقوع انفجار به صفر نزدیک می شود.

ساختار و اجزای داخلی کلید هوایی

ACB  عملیات حفاظتی و تغییر وضعیت مدار را با انجام سلسله ای از فرآیندها انجام می دهد. برای انجام این فرآیندها بخش های مختلف این بریکر در هماهنگی کامل به انجام وظیفه می پردازند. مهمترین بخش های ساختار داخلی ACB عبارتند از:

کنتاکت یا تیغه ها

مسیر عبور جریان از طریق تیغه یا کنتاکت برقرار می شود. تیغه دارای دو بخش ثابت و متحرک است. بخش ثابت به بدنه بریکر متصل است و بخش متحرک به کمک مکانیزم تریپ یا دستی جابجا می شود. در تولید تیغه معمولا از آلیاژهای مس یا نقره استفاده می شود و در مقابل سطوح بالای جریان الکتریکی مقاوم است.

تیغه داخل یک محفظه عایق قرار می گیرد. محفظه در برابر عوامل خارجی مانند رطوبت یا گرد و غبار از تیغه محافظت می کند.

مکانیزم کنترل جرقه

در لحظه جدا شدن تیغه ها، جرقه ای ایجاد می شود که بزرگی آن با ولتاژ و جریان عبوری از تیغه ها متناسب است. جرقه سبب داغ شدن تیغه و در مواردی ذوب شدن یا جوش خوردن تیغه ها می شود. همه تجهیزات قطع و وصل جریان از یک مکانیزم کنترل جرقه بهره می برند.

این مکانیزم مجموعه ای از صفحات رسانا است که با هم موازی شده اند. کلید هوایی از هوا به منظور کنترل جرقه استفاده می کند. با توجه به بزرگ بودن جریان های عبوری از ACB، جرقه های بسیار بزرگی در لحظه قطع اتصال تشکیل می شود.

جرقه های بزرگ دمای تیغه را به شدت افزایش می دهند. به منظور دور کردن جرقه از کنتاکت ها و کاهش دمای تیغه، از هوای فشرده استفاده می شود. در ساخت صفحات نیز از مواد مقاوم به درجه حرارت بالا مانند سرامیک استفاده می شود. این صفحات جرقه را از کنتاکت ها دور و به محیط خنک تر هدایت می کنند.

مکانیزم عملیاتی کلید هوایی

این مکانیزم وظیفه باز و بسته کردن تیغه را بر عهده دارد. فرآیند تغییر وضعیت در صورت تشخیص خطا و و یا با فرمان دستی انجام می شود. مکانیزم عملیاتی شامل یک فنر یا آهنربای الکتریکی است که کنتاکت‌ها را در وضعیت بسته نگه می‌دارد. همچنین اجزایی برای آزاد کردن کنتاکت و قطع جریان در این مکانیزم وجود دارد.

Trip unit  یا واحد تشخیص خطا

بریکرها به منظور حفاظت از مدار در برابر خطاها استفاده می شوند. بلافاصله بعد از تشخیص خطا، بریکر مدار را قطع می کند. وظیفه تشخیص خطا بر عهده واحد تشخیص خطا یا تریپ یونیت بریکر گذاشته شده است. تریپ یونیت ها انواع مختلفی دارند.

تریپ یونیت کلید هوایی از نوع حرارتی، مغناطیسی یا الکترونیکی است. تولیدکنندگان مختلف اسامی متفاوتی روی تریپ الکترونیکی گذاشته اند. به عنوان مثال زیمنس آن را ETU نامیده و اشنایدر نام آن را میکرولاجیک گذاشته است.

تکنولوژی مورد استفاده و خطاهای قابل تشخیص توسط تریپ یونیت ها با هم متفاوت است. به بیان دیگر تکنولوژی تریپ یونیت تعیین کننده خطاهای قابل تشخیص توسط بریکر است. این قسمت علاوه بر کنترل و پایش جریان، ولتاژ و سایر پارامتر ها، وظیفه حفاظت از مدار را نیز بر عهده دارد.

پنل کنترل و حفاظت

پنل کنترل و حفاظت ACB خارج از محفظه قرار دارد. انجام تنظیمات حفاظتی و نظارت بر وضعیت مدار از طریق این پنل انجام می شود. علاوه بر این قابلیت های ارتباطی کلید نیز روی آن قرار دارند. شکل زیر نمایی از پنل کنترلی کلید هوایی را نشان می دهد:

1. دکمه قطع مدار OFF (O)
2. دکمه روشن یا وصل مدار (I)
3. نشانگر موقعیت کنتاکت اصلی
4. نشانگر وضعیت مکانیسم ذخیره انرژی
5. دستگیره کشویی
6. نشانگرهای وضعیت
7. پلاک مشخصات دستگاه
8. نمایشگرهای دیجیتال
9. دسته مکانیکی ذخیره انرژی
10. پورت های ارتباطی

اصول عملکرد کلید هوایی

هنگامی کهACB  در وضعیت بسته قرار دارد، کنتاکت ها توسط فنر یا آهنربای الکتریکی در کنار هم نگه داشته می شوند. در این وضعیت جریان مدار برقرار است و تجهیزات یا دستگاه های الکتریکی را تغذیه می کند. اگر جریان عبوری از کلید هوایی از مقدار مجاز بیشتر شود، تریپ یونیت وارد عمل شده و تیغه ها را باز می کند.

باز شدن تیغه سبب ایجاد جرقه ای بزرگ می شود که گرمای زیادی ایجاد می کند. گرمای جرقه به کنتاکت ها و سایر اجزای کلید هوایی آسیب می رساند. به منظور کاهش اثرات جرقه، مکانیزم کنترل جرقه اقدام به منحرف کردن آن می کند.

در این مرحله فرایندی مانند هل دادن کنتاکت ها اتفاق می افتد که در زمان خیلی کوتاه (چند میلی ثانیه) تیغه را باز می کند. در لحظه باز شدن تیغه، جریان هوای فشار بالا بین کنتاکت ها دمیده می شود. هوای فشرده شده به نسبت هوا در فشار اتمسفر، قدرت عایقی بیشتری دارد. با توجه به نارسانا بودن هوا و قرار گرفتن هوای فشرده در بین تیغه ها، مسیر جرقه به سرعت قطع می شود.

انواع کلید هوایی

براساس تکنولوژی به کار رفته در کنترل جرقه، کلیدهای هوایی به 4 گروه اصلی تقسیم می شوند. در ادامه عملکرد و موارد استفاده از هر کدام را بررسی می کنیم.

کلیدهای ساده Simple ACB

ACB   ساده اولین نمونه این بریکرها است و طراحی ساده ای دارد. این کلید به کمک فشار هوا زمان جرقه را طولانی می کند تا خاموش شود. این  ACBاغلب در ولتاژهای پایین تا 12 کیلو ولت استفاده می شود. همچنین در مدار DC و AC قابل استفاده است.

کلید هوایی دمش مغناطیسی

در این بریکر از میدان مغناطیسی برای کنترل قوس الکتریکی استفاده می شود. با ایجاد جرقه یک میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ های دمش ایجاد می شود. میدان مغناطیسی به حرکت قوس در امتداد لوله ها کمک می کند. هوای تحت فشار قوس را پخش و در نهایت آن را از بین می برد.

ACB   کانال هوا

این بریکرها از دو نوع کنتاکت متفاوت برای انتقال جریان استفاده می کنند. کنتاکت های اولیه از مس و کنتاکت های جرقه گیر از نقره ساخته می شوند. در زمان باز شدن اتصال، ابتدا کنتاکت های اولیه و سپس کنتاکت های کنترل جرقه جدا می شوند.

کنتاکت های نقره از کنتاکت اولیه در برابر جرقه محافظت می کند. در زمان بسته شدن مسیر جریان عکس این فرآیند اتفاق می افتد. یعنی به منظور حفاظت از تیغه های اصلی، ابتدا تیغه های کنترل جرقه بسته می شوند. این کلید هوایی در کاربردهای ولتاژ بالا (420 کیلوولت یا بیشتر) کاربرد دارند.

 Air Blast Circuit Breaker

این بریکر از هوای تحت فشار برای جابجایی و خاموش کردن قوس استفاده می کند. همزمان با باز شدن تیغه و تشکیل جرقه، دریچه هوای تحت فشار باز می شود. در این لحظه هوای تحت فشار از طریق کانال جرقه به سمت بالا حرکت می کند.

فشار هوا جرقه را به سمت بالا هدایت و در نهایت خاموش می کند. بریکرهای ایر بلاست در ولتاژ متوسط تا ولتاژ حداکثر 15 کیلو ولت استفاده می شوند.

تنوع روش نصب

کلیدهای هوایی براساس روش نصب به دو دسته تقسیم می شوند. بسته به روش نصب طراحی سخت افزار کلید متفاوت است. به بیان دیگر روش نصب از جمله مشخصات کلید است که در دیتاشیت یا برگه اطلاعات آن درج می شود.

نصب ثابت یا  Fix

این روش نصب برای کاربردهای عمومی مناسب است. در این روش نصب، کلید هوایی مانند کنتاکتور روی تابلو برق ثابت شده و کابل ها به ترمینال آن متصل می شوند. نصب و یا تعویض کلیدهای نصب ثابت زمانبر است. اما در عوض قیمت مناسبتری دارند.

نصب کشویی

در این روش همه اتصالات به جعبه بیرونی کلید متصل می شوند. مکانیزم کلید با چرخاندن یک دستگیره به صورت کشویی خارج می شود و به سرعت قابل تعویض است. این روش نصب برای صنایع سنگین و مواردی که توقف هرچند کوتاه عملکرد خسارت سنگین به بار می آورد مناسب است.

از جمله کاربردهای این روش می توان به صنایع نفت و گاز و پست های توزیع برق اشاره کرد.

کاربردهای کلید هوایی

کلید هوایی یک بریکر قابل اعتماد برای مدارهای جریان بالا است.این بریکرها تنوع بالایی دارند و متناسب با نیازهای حفاظتی مدار انتخاب می شوند. استفاده از بریکر نامناسب نه تنها حفاظت مدار را کاهش می دهد بلکه می تواند خسارات سنگینی به بار بیاورد.

برای انتخاب کلید هوایی مناسب توجه به پارامترهایی از جمله الزامات حفاظتی، نوع تجهیزات الکتریکی مدار و شرایط محیطی ضروری است. با در نظر گرفتن همه جوانب انتخاب، در ادامه به بررسی برخی از کاربردهای رایج ACB می پردازیم.

شبکه و پست های توزیع برق

کلید هوایی یک بریکر با ظرفیت قطع جریان های بسیار بزرگ (تا 10 کیلو آمپر) است. با توجه به بزرگی جریان و ولتاژ شبکه توزیع و پست های برق، استفاده از ACB در این کاربردها بسیار رایج است.

صنایع بزرگ

ACB   به طور گسترده در صنایع بزرگ مانند تاسیسات نفتی، نیروگاه و معادن کاربرد دارند. این بریکر حفاظت قابل اعتماد از ژنراتور، ترانسفورماتور، موتور و سایر تجهیزات حیاتی را تضمین می کند. عموما در ورودی مدار و بعد از ترانس یک ACB نصب می شود.

این بریکر به عنوان حفاظت کلی مدار عمل می کند. در قسمت های پایین دست از کلید اتوماتیک برای حفاظت بخش های مختلف استفاده می شود.

شبکه حمل و نقل

در بخش هایی از شبکه حمل و نقل مانند راه آهن و مترو نیز از ACB استفاده می شود. کاربرد این بریکر حفاظت از تجهیزاتی مانند موتورهای کششی و سیستم های سیگنالینگ است. استفاده از کلید هوایی عملکرد ایمن و قابل اطمینان شبکه را تضمین می کند.

علاوه بر این از آسیب به بخش های مختلف سیستم جلوگیری می کند.

کلید هوایی در کاربردهای دریایی و ساحلی

برای محافظت از سیستم های الکتریکی کشتی و سکوهای نفتی نیز از ACB استفاده می شود. بریکرهای مورد استفاده در این کاربردها متناسب با شرایط محیطی سخت مانند خوردگی، آب شور و تغییرات دمایی شدید طراحی شده اند.

کلید هوایی زیمنس

کلید هوایی بزرگ ترین عضو خانواده تجهیزات فشار ضعیف زیمنس است. این کلیدها از انواع کلید اتوماتیک مورد استفاده در مدار هستند. تفاوت اصلی این کلیدها با کلید اتوماتیک زیمنس، بزرگی جریان نامی آن ها است.

بسته به نوع تریپ یونیت استفاده در شده در کلید، نوع خطای قابل تشخیص آن متفاوت است. در حال حاضر سری 3WL زیمنس در بازار ایران موجود است. سری دیگر کلیدهای هوایی زیمنس خانواده 3WA است. این کلیدها کاربردهای خاصی دارند و تامین آن ها به صورت سفارشی انجام می شود.

ACB زیمنس در دو مدل سه پل و چهار پل عرضه می شود. نمونه های سه پل و 4 پل کلید هوایی زیمنس در دو ساختار کشویی و ثابت عرضه می شوند. نمونه های 4 پل علاوه بر سه ترمینال ورودی برای فاز، یک ترمینال ورودی برای سیم نول دارند.

مشخصات کلی این بریکرها را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• قابل استفاده در انواع مدار AC تا حداکثر ولتاژ 1150 ولت
• عرضه در سه سایز استاندارد با پوشش جریان630 تا 6300 آمپر در مدار AC
• نمونه های DC در یک سایز تا حداکثر جریان 4000 آمپر
• ظرفیت شکست بالا بین 55 کیلو آمپر تا 150 کیلو آمپر در 500 ولت AC
• قابلیت توسعه ساده عملکردها با لوازم جانبی استاندارد برای همه اندازه ها
• تریپ یونیت الکترونیکی با قابلیت تشخیص انواع خطا و قابلیت تعویض

انواع کلید هوایی زیمنس با ضمانت اصالت کالا و خدمات پس از فروش در زیمنس کالا عرضه می شود.