آیا تا به حال به حفاظت اتصال کوتاه مدارهای قدرت با جریان بالا فکر کرده‌اید؟ هنگام بروز خطا‌های جریانی و ولتاژی یا هنگام تغییر فرکانس چگونه می‌توان حفاظتِ تجهیزاتی مانند ژنراتور و ترانسفورماتور را تامین کرد؟
کلید هوایی یک تجهیز حفاظتی پرکاربرد است که می‌تواند در تابلو‌برق فشار ضعیف نصب شود و حفاظت مدار را تا حد بالایی تضمین کند. اگر به دنبال حفاظت از مدارهای جریان بالا هستید، کلید هوایی بهترین انتخاب است. در این مقاله با تجهیز کلید هوایی، ساختمان داخلی، علائم ظاهری، انواع و کاربرد‌های آن در صنعت آشنا می‌شوید.
تعریف کلید هوایی
کلید اتوماتیک هوایی یا کلید Air Circuit Breaker) ACB) از خانواده کلیدهای اتوماتیک و نوعی بریکر (Breaker) یا قطع کننده فشار متوسط است. این کلید معمولاً در آمپرهای بالا (630-6300 آمپر)، در ورودی تابلوبرق‌های فشار متوسط به کار می‌رود و از مدار در برابر اتصال کوتاه آنی و تاخیری محافظت می‌کند.
علت نام‌گذاری کلید هوایی
این بریکرها با عنوان کلید هوایی نام‌گذاری شده‌اند، زیرا عملیات اطفاء جرقه یا آرک (Arc) هنگام کلیدزنی، در محفظه هوا انجام می‌شود. در واقع این کلید برای حفاظت مدار الکتریکی در برابر صدمات ناشی از اضافه بار و اتصال کوتاه از هوا استفاده می‌کند.
در کشورهای مختلف، استفاده از کلید هوایی تا سطح ولتاژ ۱۵ کیلوولت یک انتخاب مطلوب است. زیرا احتمال وقوع آتش‌سوزی در این نوع کلیدها مانند کلیدهای قطع کننده روغنی وجود ندارد.
کلید روغنی یا Oil Circuit Breaker تجهیزی برای مهار آرک الکتریکی است. در این کلید کنتاکت ثابت و کنتاکت متحرک در داخل روغنِ عایق غوطه‌ور می‌شوند. هرگاه کنتاکت‌های حامل جریان در روغن از هم جدا شوند، قوس یا آرک الکتریکی به وجود می‌آید. لذا، روغن بخار شده و آرک در گاز هیدروژن تجزیه می‌شود.
آرک چیست؟
قبل از خواندن سایر قسمت‌های این مقاله میبایست مفهوم آرک را به درستی درک کنید. در حین باز شدن کنتاکت‌های حامل جریان در یک بریکر، فضای بین کنتاکت‌ها به شدت یونیزه شده و مسیری کوتاه با مقاومت پایین برای عبور جریان ایجاد می‌شود.
جریان در این مسیر حرکت کرده و کنتاکت‌ها را به شدت گرم می‌کند؛ معمولاً در این حالت فضای بین کنتاکت‌ها مانند اشعه روشن شده و پدیده‌ای به نام آرک (arc) ایجاد می‌شود. در شکل ۲ نمونه‌ای از این کنتاکت‌ها را می‌بینید.
اهمیت استفاده از کلید هوایی
به طور کلی کلید هوایی دو کار اصلی را انجام می‌دهد:
۱) کلید هوایی وظیفه قطع و وصل جریان در شبکه را بر عهده دارد.
۲) در شرایطی همچون موارد زیر، از شبکه محافظت می‌کند:
- افزایش یا کاهش ولتاژ
- اتصال کوتاه، کاهش و افزایش بیش از حد فرکانس
- افزایش حرارت تجهیزات در برابر عبور جریان زیاد
- اضافه بار و از سنکرون خارج شدن ژنراتورها
کاربرد‌های کلید هوایی
کلید هوایی به دلیل اندازه کوچک، ساختار فشرده و عملکرد عالی به طور گسترده در سیستم‌های قدرت مانند ترانسفورماتورها، ژنراتورها، ایستگاه‌های توزیع برق و شرکت‌های صنعتی-معدنی استفاده می‌شود. جهت اطمینان از عملکرد و عمر مفید کلید هوایی، باید به صورت روزانه تعمیر و نگهداری انجام شود.
۱) کلید هوایی یا ACB عملکردهای حفاظتی زیادی دارد و عمدتاً برای اطمینان از ایمنی خطوط برق و تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شود. در صورت اضافه بار یا خطای جدی در خطوط برق یا تجهیزات الکتریکی، کلید هوایی بلافاصله مدار را قطع می‌کند. همچنین علاوه بر حفاظت اضافه بار، حفاظت افت ولتاژ و اتصال کوتاه را نیز تامین می‌کند.
۲) کلید هوایی می‌تواند نقش کنترلی هم ایفا کند به این صورت که جهت اطمینان از عملکرد عادی تجهیزات الکتریکی، بار الکتریکی را از مدار قطع و مجدد به آن متصل کند. به دلیل ساختمان کامپکت و کوچکِ کلید هوایی، نصب و راه‌اندازی آن کار دشواری نیست و بسیاری از صنایع برای کنترل ترانسفورماتورهای قدرت از این کلید استفاده می‌کنند.
۳) کلید هوایی در مقایسه با سایر قطع‌کننده‌ها قابلیت تحمل جریان نامی بالاتری دارد؛ پس برای حفاظت موتوری هم استفاده می‌شود.
اجزای بیرونی کلید هوایی
در شکل زیر قسمت‌های اصلی یک کلید اتوماتیک هوایی را می‌بینید.
- دکمه خاموش (O)
- دکمه روشن (I)
- نمایشگر وضعیت کنتاکت اصلی
- نمایشگر میزان ذخیره انرژی
- دکمه ریست
- نمایشگر LED
- قسمت کنترلر کلید
- قفل سه‌وضعیتی (شامل حالت‌های تست، اتصال و حالت ایزوله)
- پد لاک (padlock) مخصوص کاربر (با استفاده از این قسمت می‌توان کلید هوایی را در حالت‌های تست، اتصال و حالت ایزوله قفل کرد)
- نمایشگر مخصوص سه حالت تست، اتصال و ایزوله
- وضعیت کنتاکت: تست (TE)- جدا بودن کنتاکت‌ها (CD)- وصل بودن کنتاکت‌ها (CE)
- مشخصات نامی کلید
- نمایشگر دیجیتال
- دستگیره شارژ دستی
- محل ورود و خروج دستگیره برای تکان دادن غلتانک (Rocker) غلتانک عملکردی مانند اینترلاک (interlock) دارد و برای قفل کردن حالت کاری تجهیز استفاده می‌شود.
- مخزن غلتانک
- دکمه ریست فالت تریپ (Fault trip reset)
تمامی کنتاکت‌های کلید هوایی در یک محفظه عایق قرار دارند و همچنین به منظور حفاظت بیشتر، کنتاکتِ هر فاز نسبت به فاز دیگر عایق شده است. علاوه بر این، تریپرهای (Tripper) هوشمند، اپراتورهای دستی و الکتریکی در جلوی تجهیز قرار گرفته‌اند و یک قسمت جداگانه را به خود اختصاص داده‌اند؛ این امر تعمیر و نگهداری تجهیز را تسهیل می‌کند.
ساختمان داخلی کلید هوایی
بر اساس استاندارد جهانی و برای دستیابی به اندازه کوچک‌تر، مدارهای قطع کننده، از یک ساختار سه‌بعدی و کامپکت پیروی می‌کنند. پنل‌های سمت چپ و راست، سیستم کنتاکت و سیستم قطع فوریِ اضافه جریان همگی روی یک صفحه عایق قرار گرفته‌اند. در قسمت بالایی سیستم اطفاء جرقه یا آرک قرار دارد و در قسمت جلویی کلید، مکانیزم عملکردی قرار گرفته است.
معمولاً در قسمت‌های بالا و سمت چپِ کلید هوایی، رله‌های شنت و آندر ولتاژ قرار می‌گیرند و به مدار تریپ متصل می‌شوند. ترانسفورماتور جریان (current transformator) نیز روی شین پایینی کلید هوایی قرار داده می‌شود؛ به همین دلیل تجهیزاتی مانند رله‌های حرارتی یا تریپرهای نیمه‌هادی (semiconductor trippers) را می‌توان در قسمت پایین کلید نصب کرد.
- سلونوئید(Solenoid) الکتریکی
- فریم یا قاب
- کویل‌های سری برای عملیات تریپ
- میله تریپر یا قطع کننده (Tripper bar)
- کنتاکت‌های اصلی
- ترمینال کلید هوایی
- کنتاکت آرک یا کنتاکت متحرک
- قسمت عایقی
- پروب نگهدارنده یا پروب لچ (Latch prop)
- مکانیزم عملکردی
- اهرم یا دستگیره
ساختمان کنتاکت کلید هوایی
به طور کلی، کنتاکت هر فاز در کلید هوایی، به همراه یک محفظه خاموش‌کننده آرک، با اتصالات مخصوص داخل یک مقره‌ی کوچک عایق قرار می‌گیرد و مدار کلید هوایی، قطع و وصل شدن آن‌ها را به کمک همین اتصالات کنترل می‌کند. به این منظور، کلید هوایی از دو کنتاکت موازی دنده‌ای استفاده می‌کند تا کنتاکت هر فاز روی باس قرار گیرد. همچنین عملیات باز و بسته شدن هر کنتاکت، هنگام خاموش و روشن شدن کلید به کمک یک فنر انجام می‌شود. در شکل ۶ ساختمان یک کنتاکت و اجزای آن را مشاهده می‌کنید.
1 – باس بار
2 – اتصال نرم
3 – کنتاکت متحرک
4 – کنتاکت ثابت
5 – فنر
6 – شاتون( اهرمی که کنتاکت اصلی را به مقره متصل می‌کند)
7 – شفت اصلی
8 – نگهدارنده کنتاکت
نحوه عملکرد کلید اتوماتیک هوایی
کلیدهای اتوماتیک هوایی یک کنتاکت اصلی (از جنس مس) و یک کنتاکت جرقه‌زن یا Arcing contact (از جنس کربن) دارند. وظیفه کنتاکت اصلی، عبور جریان در زمان وصل بودن مدار و وظیفه کنتاکت جرقه‌زن، انتقال جرقه‌های ناشی از قطع کردن مدار به سمت محفظه جرقه‌گیر است. در کلیدهای هوایی محفظه‌ای به نام جرقه‌گیر وجود دارد که به صورت شبکه‌ای و از جنس سیلیس و یا آزبِست (Asbestos) ساخته می‌شوند.
آزبست یا پنبه‌نسوز یک عایق بسیار مقاوم در برابر آتش سوزی است.
در محفظه جرقه گیر، به کمک نیروی مغناطیسی یا دمنده هوا، آرک به جرقه‌های کوچک تبدیل می‌شود، بنابراین کنترل و خاموش کردن آن‌ها راحت‌تر خواهد بود. در لحظه قطع کلید، ابتدا کنتاکت‌های اصلی از هم جدا می‌شوند (در این حالت آرکی وجود ندارد) در حالی که هنوز کنتاکت جرقه‌زن وصل است، سپس کنتاکت‌های جرقه‌زن قطع شده و جرقه ایجاد می‌شود.
این جرقه‌ها به سمت محفظه جرقه‌گیر هدایت می‌شوند. آرک الکتریکی ایجاد شده در محفظه جرقه‌گیر سردتر شده، و مسیر آن طولانیتر می‌شود. بنابراین ولتاژ جرقه بسیار بزرگ‌تر از ولتاژ سیستم در زمان کارکرد بریکر خواهد شد. در نهایت آرک میرا شده و خاموش می‌شود.
کنتاکت اصلی وظیفه عبور جریان سه‌فاز را برعهده دارد. مزیت Arcing Contact جلوگیری از ایجاد جرقه در کنتاکت اصلی است که از آسیب دیدن آن و در نتیجه استهلاک کنتاکت اصلی جلوگیری می‌کند.
در ساختمان کلیدهای هوایی رله‌هایی وجود دارد که اصطلاحاً Built-in نامیده می‌شوند. ویژگی این رله‌ها خاصیت تاخیری یا Time Delay آن‌ها است که عنصر اصلی در تامین Selectivity از طریق صدور فرمان قطع با تاخیر هستند.
سلکتیویتی (Selectivity) همان پدیده تقدم قطع خروجی ها نسبت به ورودی‌ها است.
به این معنی که اگر خطایی در یک فیدر خروجی رخ دهد، ابتدا کلید خروجی قطع شود و تنها در صورت تداوم خطا روی مدار و عمل نکردن کلید خروجی، کلید ورودی با تاخیر، کل تابلو را بیبرق می‌کند. اهمیت این موضوع هنگامی مطرح می‌شود که در صورت وقوع خطا در یکی از خروجی‌ها کل تابلو بیبرق نشود.
کلید هوایی در شماتیک مدارهای الکتریکی مانند شکل ۸ است.
در کلید هوایی ممکن است از فیوز فشار قوی برای حفاظت در برابر جریان‌های اتصال کوتاه استفاده شود. مکانیزم قطع و وصل این کلیدها معمولاً به صورت فنرِ شارژ شده است. مکانیزم فنر، توسط اهرم، به صورت دستی یا توسط یک موتور الکتریکی شارژ می‌شود و کلید در وضعیت آماده به کار قرار می‌گیرد. با فشار دادن دکمه ON روی کلید، کلید وصل شده و با فشردن دکمه Off، قطع می‌شود.
انواع کلیدهای هوایی
از لحاظ ظاهری، کلیدهای هوایی در دو نوع فیکس یا ثابت (Fix type) و کشویی (Draw-out type) تولید می‌شوند. کلید هوایی نوع ثابت، متشکل از پنل‌هایی است که در دو طرف بدنه نصب شده‌اند؛ در حالی که کلید هوایی کشویی روی یک پایه مخصوص کشویی نصب می‌شود.
به طور کلی کلیدهای هوایی به دو دسته تقسیم می‌شوند:
۱) کلید هوایی ساده یا plain air circuit breaker
این دسته کلیدهای هوایی سه تیپ متفاوت دارند:
a- کلید هوایی از نوع قطع ساده
(plain break type circuit breaker )
b- کلید هوایی از نوع قطع‌کننده با دمنده مغناطیسی
(magnetic blow out type circuit breaker)
c- کلید هوایی از نوع قطع‌کننده با کانال هوا
(air chute air break circuit breaker)
۲) کلید انفجار هوایی یا Air blast circuit breaker
کلید انفجار هوایی برای حفاظت در مدارهای ولتاژ بالا (بیشتر از ۴۵۰ کیلو ولت) است و سه تیپ کلی دارد:
a- کلید انفجار هوایی محوری
(axial air blast ACB)
b- کلید انفجار هوایی محوری با کنتاکت متحرک کشویی
(axial air blast ACB with side moving contact)
c- کلید انفجار هوایی صلیبی
(cross blast ACB)
در ادامه نحوه عملکرد هر کدام از این کلیدها را توضیح می‌دهیم.
کلید هوایی ساده ACB
کلید هوایی از نوع قطع ساده
کلید هوایی از نوع قطع ساده ، ساده‌ترین نوع کلید هوایی است که در آن کنتاکت‌ها به شکل دو شاخک ساخته می‌شوند. ابتدا آرک در کوتاه‌ترین فاصله بین شاخک‌ها بوجود می‌اید سپس این آرک به طور پیوسته توسط جریان‌های همرفتی ناشی از گرم شدن هوا و برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی، به سمت بالا هدایت می‌شود.
در هنگام حرکت آرک به سمت بالا مسیر آرک بین کنتاکت‌ها طولانیتر شده و در نتیجه آرک سرد می‌شود. این کلید هوایی برای حفاظت در مدارهای LV یا ولتاژ پایین (Low voltage) (در حدود ۵۰۰ ولت) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در شکل زیر تصویری از عملکرد این کلید نشان داده شده است.
شکل ۱۱- کلید هوایی از نوع قطع ساده
کلید هوایی از نوع قطع‌کننده با دمنده مغناطیسی
کلید هوایی از نوع خاموش‌کننده با نیروی مغناطیسی این قابلیت را دارد که هنگام بروز خطا، با کنترل میدان مغناطیسی، جرقه را خاموش کند. این کار به کمک سیم‌پیچ‌هایی که به مدار اصلی متصل هستند، انجام می‌شود. در واقع سیم‌پیچ‌ها از طریق تولید میدان مغناطیسی به هدایت جرقه کمک می‌کنند. طبیعتاً این میدان مغناطیسی نیست که می‌تواند جرقه را داخل کلید کنترل کند، بلکه تنها آن را به داخل مجاری می‌فرستد. جرقه، داخل مجاری سرد شده و در نهایت خاموش می‌شود. این نوع کلید هوایی قابلیت استفاده در مدارهایی با ولتاژی به بزرگی ۱۱ کیلو ولت را دارد.
کلید هوایی از نوع قطع‌کننده با کانال هوا
این کلید یک کنتاکت اصلی و یک کنتاکت کمکی دارد. کنتاکت اصلی از جنس مس است و در کنار آن صفحاتی از جنس نقره با مقاومت کمتر وجود دارد. کنتاکت کمکی نیز از جنس آلیاژ مس است. جنس کنتاکت کمکی دو مزیت قابل توجه برای کلید هوایی فراهم می‌کند:
۱) مقاومت بالا در برابر گرما و در نتیجه جلوگیری از استهلاک کنتاکت اصلی
۲) قابلیت تعویض کنتاکت کمکی
کنتاکت کمکی قبل از کنتاکت اصلی بسته و بعد از کنتاکت اصلی باز می‌شود.
انفجار در این کلید ناشی از ورود صفحات فولادی به محفظه آرک است. به کمک میدان مغناطیسی، آرک با سرعت بیشتری به سمت بالا حرکت می‌کند و در نهایت صفحات فولادی آرک را به تعداد زیادتری تقسیم یا تجزیه می‌کنند. توزیع ولتاژ در طول آرک، خطی نیست، اما با افت آند و کاتدِ نسبتاً بزرگ همراه است.
در صورتی که مجموع ولتاژ کل آندها و افت ولتاژ تمام آرک‌های کوچک تجزیه شده، از ولتاژ سیستم بیشتر شود، شرایط برای خاموش شدن آرک به طور خودکار ایجاد می‌شود. هنگامی که آرک با صفحات فولادی برخورد می‌کند، به طور موثری خنک می‌شود. این برخورد می‌تواند به صورت آهسته و یا به کمک میدان مغناطیسی، سریع و انفجاری انجام شود. در شکل زیر عملکرد کلید انفجار هوایی با کمک مجاری نشان داده شده است.
1- محل اولیه آرک2- آرک در میان محفظه انحراف‌دهنده3- آرک تجزیه‌شده در میان صفحات فولادی
i- مسیر جریان
کلید انفجار هوایی ABCB
کلید انفجار هوایی محوری
به شکل ۱۴ نگاه کنید. در کلید ACB انفجار محوری، کنتاکت متحرک با کمک فشار فنر با کنتاکت ثابت در تماس است. یک سوراخ نازل در کنتاکت ثابت وجود دارد که در حالت بسته بودن بریکر، با نوک کنتاکت متحرک مسدود می‌شود.
هنگامی که خطا رخ می‌دهد، هوا با فشار بالا وارد محفظه آرک می‌شود. فشار هوا با فشار فنر مقابله می‌کند و فنر تغییر شکل می‌دهد، بنابراین کنتاکت متحرک از کنتاکت ثابت جدا شده و سوراخ نازل باز می‌شود. در همین حین، هوا با فشار بالا در امتداد آرک و کنتاکت ثابت شروع به جریان می‌کند.
این جریان محوری هوا در امتداد آرک، آرک را طولانیتر و خنک‌تر می‌کند، بنابراین ولتاژ آرک بسیار بالاتر از ولتاژ سیستم می‌شود، به این معنی که ولتاژ سیستم برای تحمل آرک کافی نیست و در نتیجه جرقه خاموش می‌شود. در واقع هنگامی که ولتاژ آرک از ولتاژ سیستم بیشتر شد، شرایط قطع مدار یا break ایجاد می‌شود.
کلید انفجار هوایی محوری با کنتاکت متحرک کشویی
در این نوع کلید انفجار محوری، کنتاکت متحرک روی یک پیستون با یک فنر پشتیبان، نصب می‌شود. برای باز کردن کلید، هنگامی که فشار به مقدار از پیش تعیین‌شده‌ای برسد، هوا وارد محفظه آرک شده، کنتاکت متحرک را فشار می‌دهد و آرک در میان کنتاکت‌های ثابت و متحرک کشیده می‌شود. جریانِ هوا بلافاصله آرک را به محفظه جرقه الکتریکی منتقل می‌کند. در نتیجه آرک توسط جریان محوری هوا خاموش می‌شود.
کلید انفجار هوایی صلیبی
عملکرد ACB انفجار هوایی صلیبی بسیار ساده است. در این کلید، لوله انفجار به صورت عمود بر حرکت کنتاکت متحرک، در محفظه آرک ثابت می‌شود. در طرف مقابل محفظه آرک نیز یک محفظه دود تعبیه شده است. هوای حاصل از انفجار می‌تواند مستقیماً از طریق شکافی که روی بریکر تعبیه شده وارد محفظه دود شود. در محفظه دود اسپیلیترهایی (Splitter) قرار دارند.
هنگامی که کنتاکت متحرک از کنتاکت ثابت خارج می‌شود، یک جرقه بین کنتاکت‌ها به وجود می‌آید. در این لحظه، هوا با فشار زیاد از شکاف عبور کرده و آرک را به زور وارد محفظه دود می‌کند. در این محفظه، آرک به کمک اسپلیترها تجزیه شده و در نهایت خاموش می‌شود.
