یکی از اصلی ترین چالش‌های مدارات الکتریکی، وصل و قطع کردن به موقع جریان یا کنترل جریان است. برای حل این چالش، قطع کننده‌ها یا بریکرهای متنوعی طراحی و تولید شده‌اند. طراحی این بریکرها به گونه‌ای است که علاوه بر امکان اتصال و قطع مدار به صورت دستی، در مواقع مواجه شدن سیستم با خطا نیز قطع مدار را به صورت خودکار انجام می دهند. یکی از قطع کننده های مورد استفاده در سیستم‌های ولتاژ متوسط و بالا کلید هوایی یا ACB است.
کلیدهای هوایی می‌توانند جریان‌های بالا تا 10000 آمپر را کنترل نمایند. برای آشنایی با این کلیدها و نحوه عمل و ساختارشان با ما همراه باشید.
بریکر چیست؟
به منظور کنترل عبور جریان و محافظت از مدار الکتریکی از بریکرها استفاده می‌شود. کاربرد اصلی بریکر اتصال و قطع جریان بار در مدار است. اما در زمان بروز خطا در سیستم، به منظور محافظت از تجهیزات و اجزای مدار، بریکر جریان مدار را قطع می‌کند.
به صورت کلی می‌توان عملکرد بریکر در موقعیت های مختلف را به صورت زیر بیان کرد:
- در حالت نرمال مدرا را با کنترل از راه دور یا به شکل دستی وصل یا قطع می‌کند.
- در زمان بروز خطاهایی همچون اتصال کوتاه یا اضافه جریان به صورت اتوماتیک، مدار را قطع می‌کند.
- بعد از رفع خطا، این امکان را ایجاد می‌کند که بتوان از راه دور یا به شکل دستی مدار را وصل کرد.
برای محافظت و کنترل مدارات الکتریکی در صنایع گوناگون و سیستم‌های قدرت، از بریکرها به صورت گسترده استفاده می‌شود. به عنوان مثال، از بریکرها در بخش‌های مختلف صنعت به منظور حفاظت از ژنراتورها، ترانسفورماتورها و موتورها استفاده می‌شود. بهره‌گیری از این تجهیزات پایداری و ایمنی سیستم‌ها را ارتقا می‌بخشد.
حال اختصاصا به معرفی کلیدهای هوایی که یکی از بریکرهای مورد استفاده در جریان‌های بالا است، می‌پردازیم.
کلید هوایی (ACB) چیست؟
ACB یا کلید هوایی، وسیله‌ای برای حفاظت از مدار در برابر جریان اضافه یا اتصال کوتاه می‌باشد. از این کلیدها در مدارهایی با جریان و ولتاژ بالا استفاده می‌شود. جالب است بدانید که جریان‌هایی با بزرگی 600 تا 10 کیلو آمپر توسط ACB قابل کنترل هستند.
ACB ها نیز همچون سایر بریکرها، در صورتی که جریان از حد مشخصی بالاتر رود، با قطع کردن مدار مانع از آسیب رسیدن به سیم کشی‌ها و تجهیزات مدار می‌شود. علت نام گذاری کلیدهای هوایی، هوایی است که برای کنترل جرقه های بوجود آمده در موقع باز شدن کنتاکت ها مورد استفاده قرار می گیرد. جنس تیغه ها عموماً از نقره یا مس است و طراحی آن‌ها به نحوی است که مقاومت خوبی در برابر جریان‌های بالا دارند.
قطع مدار توسط ACB، در زمان بروز خطا با باز کردن کنتاکت‌ها و توقف عبور جریان اتفاق می‌افتد. کلیدهای هوایی در سیستم‌های ولتاژ متوسط تا بالا همچون تاسیسات صنعتی، ساختمان های تجاری بزرگ و نیروگاه‌ها به کار می‌روند. در مقایسه با بریکرهای دیگر، کلیدهای هوایی مطمئن تر هستند و تعمیر و نگهداری راحت‌تری دارند.
قابلیت تنظیم مجدد کلیدهای هوایی پس از قطع مدار که به سرعت و سهولت انجام می‌شود، سبب کاهش احتمال خرابی کلید و تجهیزات می‌شود. این کلیدها امکان تنظیمات حفاظتی گسترده‌ای همچون حفاظت از خطای زمین، جریان تریپ قابل تنظیم و تاخیر زمانی را فراهم می‌کنند.
ACBها جایگزین مناسبی برای بریکرهای روغنی هستند. در بریکرهای روغنی به دلیل ایجاد جرقه‌های بزرگ احتمال انفجار بسیار بالا است. در کلیدهای هوایی، هوای استفاده شده کنتاکت‌ها را خنک می‌کند و به همین دلیل امکان وقوع انفجار در آن‌ها وجود ندارد.
اجزای داخلی کلید هوایی
ACBها فرآیند حفاظت و قطع و وصل مدار را طی چند مرحله به انجام می‌رسانند. قسمت‌های مختلف بریکر به صورت هماهنگ عمل می‌کنند و در نتیجه اقدامات مربوط به هر مرحله به خوبی انجام میگیرد. قسمت‌های مهم ساختار ACB شامل موارد زیر هستند:
کنتاکت ها یا تیغه ها
ACB نیز همچون بریکرهای دیگر دارای تیغه‌هایی برای برقراری جریان به سمت بار می‌باشد. کنتاکت ها عموماً از نقره یا مس ساخته شده‌اند و طراحی آن‌ها به نحوی است که دارای مقاومت مناسبی در برابر جریان‌های بالا هستند. به منظور جلوگیری از آسیب دیدن کنتاکت‌ها در اثر عوامل محیطی همچون گرد و غبار و رطوبت، کنتاکت‌ها داخل محفظه عایقی جای گرفته‌اند.
مکانیزم کنترل جرقه
با قطع شدن اتصال میان تیغه‌ها جرقه‌ای به وجود می‌آید که با مقدار جریان و ولتاژ اعمال شده متناسب است. در اثر تولید این جرقه‌ها، تیغه‌ها داغ شده و حتی در شرایطی ممکن است ذوب شوند و بهم جوش بخورند.
فرآیند کنترل جرقه در تمام تجهیزاتی که برقراری و قطع جریان را انجام می‌دهند با مکانیزم یکسان انجام میگیرد. شما می‌توانید با مراجعه به مقاله کلید مینیاتوری چیست با ساده‌ترین مکانیزم کنترل جرقه آشنا شوید.
به طور خلاصه می‌توان گفت در این روش، خاموش کردن و کنترل جرقه‌ها توسط صفحات هادی موازی که به صورت ویژه‌ای طراحی شده‌اند انجام میگیرد. همانطورکه اشاره کردیم کلیدهای هوایی برای کنترل جرقه از هوا بهره می‌گیرند. از آنجا که جریان‌های بزرگی از کلیدهای هوایی می‌گذرند، در زمان قطع شدن اتصال کنتاکت‌ها جرقه‌های بزرگی بوجود می‌آید.
جرقه‌های بزرگ ایجاد شده سبب گرم شدن شدید تیغه‌ها می‌شوند. هوای فشرده به کار رفته در کلیدهای هوایی سبب دور شدن جرقه از تیغه‌ها و جلوگیری از داغ شدن تیغه‌ها می شود. همچنین برای تولید صفحات، موادی مانند سرامیک که مقاومت بالایی در مقابل حرارت دارند را به کار می‌برند. چینش صفحات به صورتی است که باعث دور شدن جرقه از تیغه‌ها و هدایت آن به محیطی خنک‌تر می‌شود.
مکانیزم عملیاتی
برقراری و قطع اتصال میان تیغه ها با مکانیزم عملیاتی صورت میگیرد. قطع و وصل کلید هوایی یا در واقع باز و بسته شدن تیغه‌ها، در مواقع لزوم به شکل دستی بوسیله کاربر و در مواقعی که کلید هوایی خطایی را تشخیص می‌دهد بوسیله کلید انجام میگیرد. در این فرآیند نگه داشتن تیغه‌ها معمولا توسط آهنربای الکتریکی یا فنر انجام میگیرد. قسمت‌هایی نیز برای قطع جریان و آزاد کردن تیغه‌ها وجود دارد.
Trip unit یا واحد تشخیص خطا
همانطور که بیان کردیم کلید هوایی از مدار در مقابل خطاهایی همچون اضافه جریان، خطای زمین و اتصال کوتاه حفاظت می‌کند. تشخیص این خطاها توسط واحد تشخیص خطا یا تریپ انجام می‌شود. واحد تریپ انواع مختلفی شامل مغناطیسی، الکترونیکی و حرارتی دارد. با توجه به کاربرد کلید و موارد مورد نیاز برای حفاظت در آن کاربرد، تعیین می‌شود که از کدام نوع واحد تریپ استفاده شود.
پنل کنترل و حفاظت
از پنل کنترل به منظور افزودن برخی قابلیت‌های اضافی همچون قابلیت‌های ارتباطی استفاده می‌شود. همچنین نظارت بر وضعیت و پیکربندی تنظیمات حفاظتی توسط پنل کنترل انجام میگیرد. این پنل در خارج محفظه ACB قرار داده می‌شود. تصویر زیر بخش‌های اصلی پنل کنترل و حفاظت ACB را نشان می‌دهد:
- دکمه قطع مدار OFF (O)
- دکمه روشن یا وصل مدار (I)
- نشانگر موقعیت کنتاکت اصلی
- نشانگر وضعیت مکانیسم ذخیره انرژی
- دستگیره کشویی
- نشانگرهای وضعیت
- پلاک مشخصات دستگاه
- نمایشگرهای دیجیتال
- دسته مکانیکی ذخیره انرژی
- پورت های ارتباطی
اصول عملکرد کلید هوایی
در زمان بسته بودن کلید هوایی، تیغه ها بوسیله آهنربای الکتریکی یا فنر در موقعیت اتصال کنار هم نگه داشته می‌شوند. در این حالت جریان از مدار و تجهیزات متصل به آن عبور می‌کند. در صورتی که بزرگی جریان از بازه‌ای که برای آن تنظیم شده است بیشتر شود، نوار تریپ این اضافه جریان را تشخیص داده و تیغه ها در وضعیت باز قرار می‌گیرند.
در زمان باز شدن تیغه‌ها قوس الکتریکی بوجود آمده باعث ایجاد حرارت بالایی می‌گردد. تجهیزات کلید و تیغه‌ها ممکن است در اثر این حرارت بالا آسیب ببینند. مکانیزم کنترل جرقه با منحرف نمودن جرقه‌ها، احتمال آسیب دیدگی تیغه‌ها در اثر قوس الکتریکی را کاهش می‌دهد.
در این قسمت پروسه‌ای مانند هل دادن تیغه‌ها انجام می‌شود که سبب قطع اتصال دو تیغه در زمان بسیار کوتاهی می‌گردد. فرآیند باز شدن دو کنتاکت در اثر اعمال هوایی با فشار بالا بین دو تیغه انجام می‌شود. هوای فشرده در مقایسه با هوای موجود در فشار اتمسفر عایق قوی‌تری است. اعمال این هوای عایق بین کنتاکت‌ها موجب قطع سریع مسیر تولید جرقه می شود.
کلید هوایی با انجام این فرآیند مانع از داغ شدن زیاد کنتاکت‌ها می‌شود. در گذشته از قطع کننده‌های جریان بالای دیگری به نام کلیدهای روغنی استفاده می‌شد. در کلیدهای روغنی فرآیندی شبیه به عملکرد ACB انجام می‌گرفت با این تفاوت که در آن‌ها از روغن به جای هوا استفاده می‌شد. علی رغم به کارگیری روغن‌هایی با توان تحمل حرارت بالا در این کلیدها، انفجار و آتش‌سوزی در آن‌ها بسیار شایع بود. بر طرف شدن این مشکل در کلیدهای هوایی موجب شد که این کلیدها بتوانند به سرعت جای کلیدهای روغنی را بگیرند و به صورت گسترده مورد استفاده واقع شوند.
موارد استفاده از ACB
کلید هوایی یکی از تجهیزات مطمئن برای حفاظت است که کاربردهای وسیعی دارد. تجهیزات الکتریکی محافظت شده، نیازهای حفاظتی و شرایط محیط استفاده از مواردی هستند که در انتخاب ACB موثر هستند. بعضی از موارد پرکاربرد در استفاده از ACB عبارتند از:
شبکه و پست های توزیع برق
پیشتر بیان کردیم که کلیدهای هوایی از جمله بریکرهایی هستند که می‌توانند در جریان‌های بالا (تا 10 کیلوآمپر) نیز مورد استفاده قرار گیرند. در پست های برق و شبکه توزیع که ولتاژها و جریان‌های بالایی وجود دارد بهره‌گیری از کلیدهای هوایی رایج می‌باشد.
سیستم های قدرت صنعتی
در سیستم‌های قدرت صنعتی همچون نیروگاه‌ها، عملیات معدنی و کارخانه‌ها ، ACB به صورت گسترده‌ای به کار می‌رود. بهره‌گیری از تجهیزات حفاظتی قابل تنظیم و مطمئن در این حوزه از اهمیت بالایی برخوردار است. برای حفاظت از تجهیزات مهمی مانند موتورها، ژنراتورهای برق و ترانسفورماتورها از کلیدهای هوایی بهره می‌گیرند.
سیستم های حمل و نقل
در حمل و نقل نیز ACB ها کاربرد وسیعی دارند. در قسمت‌هایی همچون مترو و راه آهن برای جلوگیری از وارد آمدن آسیب به تجهیزات و کارکرد مطلوب و مطمئن آن‌ها، در بخش‌هایی مانند سیستم های سیگنالینگ و موتورهای کششی، کلیدهای هوایی به کار می‌روند.
کاربردهای دریایی و ساحلی
در سکوهای نفتی و کشتی‌ها به منظور حفاظت از تجهیزات الکتریکی حساس و مهم به کار رفته در آن‌ها، کلیدهای هوایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. کلیدهایی که در این سیستم‌ها به کار می‌روند متناسب با شرایط سخت محیطی که باید در آن قرار بگیرند طراحی و تولید می‌شوند.
تولید کنندگان برتر کلید هوایی
به دلیل کاربرد گسترده و متنوع کلیدهای هوایی در بخش‌های مختلف صنعت، تولید کنندگان بسیاری اقدام به تولید این کلیدها کرده‌اند. در انتخاب برند مناسب باید به بودجه، نیازها و کاربرد مورد نظر توجه شود. از جمله مهم‌ترین فاکتورهایی که در زمان خرید باید به آن‌ها توجه داشت می‌توان به خدمات پس از فروش و پشتیبانی فنی اشاره کرد.
در این قسمت بعضی از شرکت‌های تولیدی پیشرو در این زمینه را معرفی می‌کنیم.
اشنایدر الکتریک
اشنایدر شرکت شناخته شده‌ای در حوزه تولید تجهیزات اتوماسیون و مدیریت انرژی است و طیف متنوعی از کلید هوایی اشنایدر را برای کاربردهای گوناگون تولید می‌کند.
ABB
این شرکت کلیدهای هوایی متنوعی را به منظوره استفاده در سیستم توزیع برق طراحی و تولید می‌کند. ACB های تولید شده توسط ABB برای حفاظت در مقابل اتصال کوتاه و اضافه بار عملکرد مطمئنی را ارائه می‌دهند و می‌توانند در کاربردهای گوناگونی مورد استفاده قرار گیرند.
زیمنس
زیمنس شرکت فناوری شناخته شده ایست که ACB های متنوعی را برای کاربردهای صنعتی و شبکه توزیع برق تولید می‌کند. شما می‌توانید مدل‌های متنوع کلید هوایی زیمنس را با مراجعه به فروشگاه پناپ کالا مشاهده کنید.
Eaton
شرکت Eaton در زمینه مدیریت انرژی فعالیت می‌کند و ACBهای متنوعی را به منظور استفاده در زمینه‌های مختلف تولید می‌نماید. از کلیدهای هوایی تولید شده توسط این شرکت در بخش‌های تجاری، مسکونی و صنعتی استفاده می‌شود.
جمع بندی
یکی از تجهیزات حیاتی سیستم‌های قدرت کلید هوایی(ACB) است که وظیفه حفاظت از مدار در مقابل اتصال کوتاه و اضافه بار را به عهده دارد. از جمله مزایای استفاده از این بریکرها می‌توان به استفاده راحت و ارائه حفاظت مطمئن و مطلوب اشاره کرد.
برای انتخاب ACB به منظور استفاده در کاربردهای خاص باید به فاکتورهایی همچون جریان، فرکانس، ولتاژ و …توجه نمود. در انتخاب کلیدهوایی، بسیار مهم است که علاوه بر مشخصات فنی متناسب با کاربرد موردنظر، به شرکت تولید کننده نیز توجه داشته باشیم. باید برندی را انتخاب کنیم که علاوه بر اطمینان از کیفیت محصولات آن، خدمات پس از فروش و پشیبانی خوبی را نیز ارائه دهد.