کلید هوایی چیست و چه کاربردهایی دارد؟

کنترل مسیر جریان الکتریکی یا به بیان دیگر قطع و وصل مسیر جریان، یکی از چالش های اساسی مدارات الکتریکی است. برای این منظور انواع مختلفی از بریکرها یا قطع کننده های مدار طراحی شده اند. بریکرها علاوه بر قطع و وصل دستی مسیر جریان، در صورت بروز خطا مسیر جریان را به صورت اتوماتیک قطع می کنند. یکی از انواع بریکر های مورد استفاده در شبکه های ولتاژ متوسط و بالا کلید هوایی یا ACB است.

این بریکرها قابلیت کنترل جریان های بالا تا 10000 آمپر را نیز دارد. در این مقاله به بررسی ACB، ساختار و عملکرد آن می پردازیم. با ما همراه باشید … .

بریکر چیست؟

بریکر وسیله ای برای کنترل جریان برق در مدار است. بریکر در حالت عادی برای قطع و وصل جریان بار استفاده می شود. اما گاهی اوقات نیز خطاهایی در مدار اتفاق می افتد که لازم است مسیر جریان قطع شود. در این زمان ها عملکرد بریکرها تجهیزات مدار را از آسیب حفظ می کند.

به طور کلی بریکرها تجهیزاتی هستند که:

• مدار را در شرایط عادی به صورت دستی یا با کنترل از راه دور قطع و وصل می کنند.
• در زمان وقوع خطا (مانند جریان اضافه، اتصال کوتاه و غیره) مدار را به صورت خودکار قطع می کنند.
• پس از برطرف شدن خطا، امکان وصل مدار به صورت دستی یا با کنترل از راه دور را فراهم می کنند.

بریکرها به صورت گسترده در صنایع و سیستم های قدرت، به منظور کنترل و حفاظت از قسمت های مختلف مدار مورد استفاده قرار می گیرند. حفاظت از ترانسفورماتورها، موتورها، ژنراتورها و … از جمله کاربردهای مهم بریکرهاست. استفاده از بریکرها سبب ارتقای پایداری و قابلیت اعتماد سیستم می شود.

کلید هوایی یک بریکر است که در مدارات جریان بالا مورد استفاده قرار می گیرد. در ادامه به معرفی این کلیدها می پردازیم و با آن ها بیشتر آشنا می شویم.

کلید هوایی (ACB) چیست؟

ACB یا Air Circuit Breaker یک وسیله حفاظت الکتریکی است که مدار را در برابر اتصال کوتاه و اضافه جریان محافظت می کند. این کلیدها در مدارات با ولتاژ و جریان بالا مورد استفاده قرار می گیرند. ACB قادر است جریان های بزرگ 630 آمپر تا 10 کیلو آمپر را قطع و صل کند.

ACB ها مانند سایر بریکرها، با فراتر رفتن جریان از یک حد معین و به منظور جلوگیری از آسیب به تجهیزات یا سیم کشی مدار را قطع می کنند. دلیل نام گذاری این بریکرها، استفاده از هوای فشرده برای کنترل جرقه های ایجاد در زمان باز کردن کنتاکت ها است. کنتاکت ها معمولاً از آلیاژ مس یا نقره ساخته می شوند و به گونه ای طراحی شده اند که در مقابل سطوح بالای جریان الکتریکی مقاومت کنند.

هنگامی که یک خطا رخ می دهد، ACB کنتاکت ها را باز و جریان برق را در مدار متوقف می کند. ACB ها در کاربردهای ولتاژ متوسط تا بالا مانند نیروگاه ها، تاسیسات صنعتی و ساختمان های تجاری بزرگ استفاده می شوند. این کلیدها نسبت به انواع دیگر بریکرها دارای طول عمر بالاتر، قابل اعتمادترند و نگهداری و تعمیر آنها آسان تر است.

کلید هوایی را می توان به سرعت و به راحتی پس از قطع مدار، دوباره تنظیم کرد. این قابلیت زمان خرابی را به حداقل رسانده و خطر آسیب دیدن تجهیزات یا فرآیندها را کاهش می دهد. علاوه بر این طیف وسیعی از تنظیمات حفاظتی، از جمله جریان تریپ قابل تنظیم، تاخیر زمانی و حفاظت از خطای زمین توسط این کلیدها امکانپذیر است.

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 این حالت به سفر می رسد.

اجزای داخلی کلید هوایی

ACB ها عملیات حفاظتی و تغییر وضعیت مدار را با انجام سلسله ای از فرآیندها انجام می دهند. 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 ها یا تیغه ها

 مانند سایر انواع بریکرها، ACB نیز دارای تیغه هایی است که جریان از طریق آن ها به بار می رسد. جنس این تیغه ها معمولا از آلیاژهای مس یا نقره است و به گونه ای طراحی شده اند که در مقابل سطوح بالای جریان الکتریکی مقاومت کنند. کنتاکت ها در یک محفظه عایق قرار می گیرند که برای محافظت از آنها در برابر عوامل خارجی مانند رطوبت یا گرد و غبار طراحی شده است.

مکانیزم کنترل جرقه

زمان قطع اتصال تیغه ها، جرقه ای ایجاد می شود که متناسب با بزرگی ولتاژ و جریان عبوری از تیغه ها تغییر می کند. ایجاد این جرقه ها سبب داغ شدن تیغه ها و در مواردی ذوب شدن و جوش خوردن تیغه ها به یکدیگر می شود.

همه تجهیزات الکتریکی که قابلیت قطع و وصل جریان را دارند از یک مکانیزم کنترل جرقه بهره می برند.

ساده ترین نوع مکانیزم کنترل جرقه را در

مقاله “کلید مینیاتوری چیست” تشریح کرده ایم.

در این مکانیزم مجموعه ای از صفحات هادی موازی با هم که با شکل خاصی طراحی شده اند، وظیفه کنترل و خاموش کردن جرقه ها را بر عهده دارند. در تعریف کلید هوایی اشاره کردیم که از هوا به منظور کنترل جرقه استفاده می کند. با توجه به بزرگ بودن جریان های عبوری از ACB، جرقه های بسیار بزرگی را در لحظه قطع اتصال شاهد هستیم.

این جرقه های بزرگ دمای تیغه را به شدت افزایش می دهند. به منظور دور کردن جرقه از کنتاکت ها و کاهش دمای تیغه ها، از هوای فشرده استفاده می شود. علاوه بر این از مواد مقاوم در برابر درجه حرارت بالا مانند سرامیک در ساخت صفحات استفاده می شود. این صفحات به گونه ای چیده شده اند که جرقه را از کنتاکت ها دور کرده و به محیط خنک تر هدایت کنند.

مکانیزم عملیاتی

 این مکانیزم وظیفه باز و بسته کردن تیغه ها را بر عهده دارد. فرآیند تغییر وضعیت تیغه ها در صورت تشخیص خطا توسط کلید هوایی و همچنین در صورت نیار به صورت دستی توسط کاربر انجام می شود. این مکانیزم معمولاً شامل یک فنر یا آهنربای الکتریکی است که کنتاکت‌ها را در وضعیت بسته نگه می‌دارد. همچنین اجزایی برای آزاد کردن کنتاکت ها و قطع جریان در این مکانیزم وجود دارد.

Trip unit یا واحد تشخیص خطا

 همانطور که در ابتدا اشاره کردیم، کلیدهای هوایی مدار را در برابر خطای اتصال کوته، اضافه بار و بخی خطاهای دیگر مانند خطای زمین حفاظت می کنند. وظیفه تشخیص خطاها در این کلید نیز بر عهده واحد تشخیص خطا یا تریپ گذاشته شده است. بسته به کاربرد کلید و الزامات حفاظتی مورد نیاز، واحد تریپ می تواند از نوع حرارتی، مغناطیسی یا الکترونیکی باشد.

برندهای مختلف اسامی متفاوتی روی این بخش می گذارند. مثلا در زیمنس به این قسمت ETU گفته می شود و در اشنایدر میکرولاجیک. برخی از تریپ یونیت ها پیشرفته تر و برخی برای کاربردهای پایه طراحی شده اند. برای اطلاع از انواع آن ها باید به کاتالوگ کلید هوایی برند مورد نظر رجوع کنید. 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 ACB قرار دارد و برای پیکربندی تنظیمات حفاظتی، نظارت بر وضعیت و ارائه برخی ویژگی های اضافی مانند قابلیت های ارتباطی استفاده می شود. شکل زیر قسمت های اصلی پنل کنترلی این کلیدها را نمایش 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 که ACB در وضعیت بسته قرار دارد، کنتاکت ها توسط مکانیزمی مانند 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 مدار از یک آستانه از پیش تعیین شده بیشتر شود، توسط نوار تریپ تشخیص داده شده و کنتاکت ها باز می شوند.

زمانی که کنتاکت ها باز می شوند، یک قوس الکتریکی بزرگ بین آنها ایجاد می شود که گرمای زیادی ایجاد می کند. این گرمای بیش از حد می تواند به کنتاکت ها و سایر اجزای کلید هوایی آسیب برساند. به منظور کاهش اثرات قوس الکتریکی بر روی کنتاکت ها، مکانیزم کنترل جرقه اقدام به منحرف کردن جرقه ها می کند.

در این بخش فرایندی مانند هل دادن کنتاکت ها اتفاق می افتد که باعث می شود در زمان خیلی کوتاهی (چند میلی ثانیه) از هم فاصله بگیرند. در لحظه باز شدن تیغه ها، یک جریان هوایی با فشار بالا بین کنتاکت ها دمیده می شود و این فرایند را امکانپذیر می کند. های 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.

با انجام این عملیات کلید هوایی از داغ شدن بیش از حد تیغه ها جلوگیری می کند. نوع دیگری از بریکرهای جریان بالا در گذشته مورد استفاده قرار می گرفت که به کلید روغنی موسوم بود. این کلیدها عملکردی مشابه ACB داشتند، با این تفاوت که به جای هوا از روغن استفاده می کردند.

اگرچه در این کلیدها از روغن های خاصی با توانایی تحمل درجه حرارت های بالا استفاده می شد، با این وجود وقوع آتش سوزی و انفجار در این کلیدها بسیار رایج بود. به همین دلیل کلیدهای هوایی به سرعت جایگزین کلیدهای روغنی شدند.

انواع کلید هوایی

براساس تکنولوژی به کار رفته در کنترل جرقه، کلیدهای هوایی در 4 گروه اصلی تقسیم می شوند. در ادامه به صورت مختصر در مورد عملکرد و موارد استفاده از هر کدام مطالبی را بیان خواهیم کرد:

کلید هوایی ساده

ACB های ساده اولین نمونه ها هستند و طراحی ساده ای دارند. این کلیدها به کمک فشار هوا جرقه را طویل می کنند تا خاموش شود. این ACBها اغلب در مدارهای ولتاژ پایین تا 12 کیلو ولت استفاده می شوند. این کلیدها برای جریان های DC و AC قابل استفاده است.

کلیدهای هوایی دمش مغناطیسی

این بریکرها از یک میدان مغناطیسی برای کنترل قوس الکتریکی استفاده می کنند. هنگامی که قوس تشکیل می شود، سیم پیچ های دمش، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کنند. این 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.

ACBهای دمش مغناطیسی در تجهیزاتی با ولتاژ کمتر از 11 کیلوولت استفاده می شوند.

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. وجود کنتاکت های نقره از کنتاکت های اولیه در برابر جرقه محافظت می کند. در زمان بسته شدن تیغه ها عکس این فرآیند اتفاق می افتد. به منظور حفاظت از تیغه های اصلی، ابتدا تیغه های کنترل جرقه بسته می شوند. این کلیدها هوایی در کاربردهای ولتاژ بالا با ولتاژهای 420 کیلوولت یا بیشتر استفاده می شوند.

بریکر Air Blast

این بریکرها از هوای تحت فشار برای جابجایی و خاموش کردن قوس استفاده می کنند. در زمان باز شدن اتصال تیغه ها و با تشکیل جرقه، یک دریچه باز می شود و به هوای تحت فشار اجازه می دهد تا از طریق کانال قوس به سمت بالا حرکت کند. فشار هوا قوس را به سمت بالا هدایت و در نهایت خاموش می کند. بریکرهای ایر بلاست در شرایط ولتاژ متوسط تا ولتاژ حداکثر 15 کیلو ولت استفاده می شوند.

نصب کلید هوایی

براساس روش نصب کلیدهای هوایی به دو دسته تقسیم می شوند. یا به عبارت دیگر به دو روش می توان کلیدهای هوایی را نصب کرد:

نصب ثابت یا Fix

این روش نصب برای کاربردهای عمومی مناسب است. در این روش نصب، کلید هوایی مانند کنتاکتور به کمک ترمینال ها به مدار وصل شده و روی تابلو برق ثابت می شود. نصب و تعویض کلید هوایی در این روش زمانبر است.

نصب کشویی

در این روش کلیه اتصالات کلید هوایی به جعبه بیرونی 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.

موارد استفاده از کلید هوایی

کلید هوایی یک وسیله حفاظتی همه کاره و قابل اعتماد است که در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شود. انتخاب کلید هوایی به الزامات حفاظتی، نوع تجهیزات الکتریکی محافظت شده و شرایط محیطی که در آن مورد استفاده قرار خواهد گرفت بستگی دارد.

برای “راهنمای نصب کلید هوایی” به این مقاله مراجعه کنید.

برخی از کاربردهای رایج ACB عبارتند از:

شبکه و پست های توزیع برق

همانطور که اشاره کردیم، کلید هوایی یک بریکر است که ظرفیت قطع جریان های بسیار بزرگ (تا 10 کیلو آمپر) را نیز دارد. با توجه به بزرگی جریان ها و ولتاژهای موجود در شبکه توزیع و پست های برق، استفاده از کلید هوایی در این کاربردها بسیار رایج است.

سیستم های قدرت صنعتی

 ACB ها به طور گسترده در سیستم های قدرت صنعتی مانند کارخانه ها، نیروگاه ها و عملیات معدنی استفاده می شوند. در این بخش ها بهره مندی از حفاظت قابل اطمینان و قابل تنظیم کاملا ضروری است. از این کلیدها برای محافظت از ژنراتورهای برق، ترانسفورماتورها، موتورها و سایر تجهیزات حیاتی استفاده می شود.

 کلید معمولا در ورودی مدار و بعد از ترانس نصب می گردد و یک حفاظت کلی برای کل مدار ایجاد می کند. که البته قسمت های پایین دست خود کلید های اتوماتیکی برای حفاظت های خود دارند.

سیستم های حمل و نقل

 ACB ها در بخش هایی از حمل و نقل مانند راه آهن و مترو، به منظور محافظت از تجهیزات الکتریکی مانند موتورهای کششی و سیستم های سیگنالینگ مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از کلید هوایی در این تجهیزات  به جلوگیری از آسیب به تجهیزات کمک کرده و عملکرد ایمن و قابل اطمینان را تضمین می کند.

کاربردهای دریایی و ساحلی

برای محافظت از سیستم های الکتریکی حیاتی کشتی ها و سکوهای نفتی از کلید هوایی استفاده می شود. کلیدهای مورد استفاده در این تجهیزات متناسب با شرایط محیطی سخت مانند خوردگی آب شور و تغییرات دمایی شدید طراحی شده اند.

تولید کنندگان برتر ACB

با توجه به کاربردهای متنوع این کلیدها در صنایع گوناگون، تولیدکنندگان مختلفی در سراسر دنیا اقدام به تولید کلید هوایی می کنند. انتخاب برند ACB به کاربرد، الزامات و بودجه شما بستگی دارد. اعتبار سازنده، پشتیبانی فنی و خدمات پس از فروش قابل اعتماد از جمله مهمترین پارامترهایی است که در زمان انتخاب باید مورد توجه قرار دهید.

در ادامه به معرفی برخی از تولید کنندگان پیشرو این تجهیزات می پردازیم.

اشنایدر الکتریک

 اشنایدر الکتریک از جمله تولید کنندگان سرشناس تجهیزات مدیریت انرژی و راه حل های اتوماسیون است که طیف گسترده ای از ACB ها را برای کاربردهای مختلف ارائه می دهد. کلید هوایی اشنایدر در دو دسته پر مصرف NT و NW طراحی شده اند.

ABB

 ABB یک شرکت فناوری پیشرو است که طیف گسترده ای از کلیدهای هوایی را برای کاربردهای توزیع برق ارائه می دهد. ACB های این شرکت محافظت قابل اعتمادی در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه ارائه می دهند و برای کاربردهای مختلف مناسب هستند.

تکامل کلیدهای شرکت آ ب ب بسیار جالب است و شاید کوچکترین کلید هوایی موجود در بازار باشد. شرکت آب ب بصورت مداوم بر روی این محصولات خود کار می کند و آن ها را ارتقا می بخشد. آخرین دسته از تولیدات این شرکت که الان نیز در بازار ایران موجود است سری EMAX2 است.

زیمنس

 زیمنس یک شرکت فناوری جهانی است که طیف گسترده ای از ACB ها را برای توزیع برق و کاربردهای صنعتی ارائه می دهد. ACB های زیمنس با عملکرد قابل اطمینان و ویژگی های ایمنی در بازار شناخته می شوند. برای مشاهده انواع کلید هوایی زیمنس به فروشگاه زیمنس کالا مراجعه کنید.

تا سال گذشته مدل پر مصرف تر کلید هوایی زیمنس سری 3WL بود. این محصول تقریبا در حال خارج شدن از رده تولید است و سری 3WA جایگزین آن شده است. سری 3WA از نظر پروتکل های ارتباطی با نمونه قبلی متفاوت است و قابلیت پشتیبانی از اینترنت اشیا در آن دیده شده است.

Eaton

 Eaton یک شرکت فعال در حوزه مدیریت انرژی است که طیف گسترده ای از ACB ها را برای کاربردهای مختلف ارائه می دهد. کلیدهای هوایی این شرکت برای استفاده در کاربردهای صنعتی، تجاری و مسکونی مناسب هستند. البته این برند در ایران کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

سایر برندها

غیر از این برندهای مطرح جهانی شرکت هایی مانند میتسوبیشی، هیوندا، ال اس، چاینت، فوجی و … نیز این محصول را تولید می کنند که در ایران نیز برخی از آن ها موجود هستند. نکته قابل ذکر در اینجا این است که بریکر های برندهایی مانند زیمنس و آ ب ب با دقت بیشتری ساخته و طراحی شده اند و بر روی نمودار های خود به درستی مدار را قطع می کنند و بنابراین آسیب کمتری به مدار وارد می شود.

 اما در برندهای رده پایین تر بدلیل استفاده از تجهیزات با کیفیت کمتر یا عدم رعایت استانداردهای طراحی، کلید دقت کمتری دارد و یا حتی ممکن است در شرایط خاص بدرستی کار نکند. بنابراین پیشنهاد می گردد در صورتیکه شرایط استفاده این محصول خاص است، ممکن است تنش زیادی به کلید وارد آید یا نیاز به دقت بالایی برای قطع مدار دارید از برند های معتبر استفاده نمایید.

جمع بندی

کلید هوایی (ACB) از جمله اجزای ضروری سیستم های قدرت است که مدار را در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه محافظت می کند. حفاظت قابل اعتماد، سهولت استفاده و ویژگی های ایمنی از جمله قابلیت های این بریکرها است. انتخاب ACB مناسب برای یک کاربرد خاص به عواملی مانند ولتاژ، جریان، فرکانس و .. بستگی دارد. انتخاب سازنده معتبر که ACB های باکیفیت تولید می کند و پشتیبانی فنی و خدمات پس از فروش قابل اعتماد ارائه می دهد بسیار مهم است.