کلیدهای مدار هوا: نحوه کار، انواع و راهنمای انتخاب

قطع کننده مدار هوا دستگاه های سوئیچینگ خودکار هستند که جریان های خطا را در سیستم های الکتریکی فشار ضعیف با استفاده از هوا به عنوان رسانه خاموش کننده قوس قطع می کنند. آنها انتخاب ارجح برای کاربردهای جریان بالا در توزیع برق صنعتی و تجاری هستند که معمولاً از 630 آمپر تا 6300 آمپر یا بیشتر رتبه بندی می شوند، جایی که حفاظت از خطای قابل اعتماد و انعطاف پذیری عملیاتی ضروری است. بر خلاف قطع کننده های مدار قالبی، مدار شکن های هوا پیکربندی های پیشرفته واحد سفر، نصب در حین کار و قابلیت های تعمیر و نگهداری را ارائه می دهند که آنها را در تابلوهای اصلی و موقعیت های کوپلر اتوبوس ضروری می کند.

کلیدهای مدار هوا چگونه کار می کنند

هنگامی که یک خطا یا اضافه بار رخ می دهد، واحد سفر به مکانیسم عملیاتی سیگنال می دهد تا کنتاکت ها را جدا کند. قوس حاصل بین کنتاکت ها به یک مجموعه کانال قوس کشیده می شود، جایی که توسط یک سری صفحات جداکننده فلزی به قوس های کوچکتر تقسیم می شود. این فرآیند به سرعت ولتاژ قوس را افزایش می دهد تا زمانی که از ولتاژ سیستم تجاوز کند و در عرض میلی ثانیه قوس را خاموش کند.

کل وقفه در هوای آزاد اتفاق می افتد، به همین دلیل است که این دستگاه ها را قطع کننده مدار هوا می نامند. واحدهای مدرن می‌توانند جریان‌های خطای 85 کیلوآمپر یا بالاتر را در 690 ولت AC قطع کنند، که آنها را برای سخت‌ترین محیط‌های توزیع ولتاژ پایین مناسب می‌سازد.

اجزای کلیدی داخل یک قطع کننده مدار هوا

• کنتاکت های اصلی و کنتاکت های قوس دار که در شرایط خطا از هم جدا می شوند
• ناودان قوسی با صفحات دییون یا سیم پیچ های مغناطیسی برای خاموش شدن قوس
• مکانیسم عملکرد فنر با انرژی ذخیره شده برای سرعت باز و بسته شدن ثابت
• واحد تریپ الکترونیکی یا مبتنی بر رله الکترونیکی برای تشخیص اضافه بار و اتصال کوتاه
• برای جداسازی و تعمیر و نگهداری ایمن بدون قطع برق شینه، واگن بیرون کشیده شود

مدار شکن هوا در مقابل سایر انواع قطع کننده های ولتاژ پایین

درک مکان مناسب بودن یک قطع کننده مدار هوا نسبت به سایر فناوری ها به مهندسان کمک می کند تا دستگاه مناسب را برای هر موقعیت در سیستم توزیع انتخاب کنند.

برای یک فیدر ورودی 2000A در یک مرکز داده یا کارخانه تولیدی بزرگ، قطع کننده مدار هوا تقریبا همیشه انتخاب صحیحی است. برای مدارهای روشنایی تغذیه تخته توزیع فرعی 250A، مدار شکن قالبی مناسب تر و مقرون به صرفه تر است.

عملکردهای واحد سفر و تنظیمات حفاظت

یونیت سفر، هوشمندی یک مدارشکن هوا است. واحدهای سفر الکترونیکی مدرن تا هفت عملکرد حفاظتی مستقل را در یک ماژول قابل برنامه ریزی واحد ترکیب می کنند ، به مهندسان کنترل دقیقی بر انتخاب سیستم و تشخیص خطا می دهد.

توابع حفاظت استاندارد

• طولانی مدت (L): حفاظت اضافه بار با یک پیکاپ جریان قابل تنظیم (معمولاً 0.4 تا 1.0 برابر جریان نامی) و تأخیر زمان معکوس برای امکان نوسانات راه اندازی موتور.
• زمان کوتاه (S): حفاظت از اتصال کوتاه تاخیری که برای دستیابی به هماهنگی انتخابی با دستگاه های پایین دست استفاده می شود. باندهای تاخیر بین 100 میلی ثانیه تا 500 میلی ثانیه است.
• آنی (I): سفر بدون تأخیر برای جریان های خطای بسیار بالا، از شینه و کابل در برابر آسیب های حرارتی و مکانیکی در یک نیم چرخه محافظت می کند.
• خطای زمین (G): تشخیص جریان نشتی به زمین، محافظت از تجهیزات و پرسنل. پیکاپ معمولاً بین 20 تا 100 درصد جریان نامی تنظیم می شود.
• حفاظت خنثی (N): اطمینان حاصل می کند که هادی خنثی به طور متناسب در پیکربندی های چهار قطبی محافظت می شود.

عملکردهای پیشرفته اندازه گیری و زنگ هشدار

واحدهای سفر با مشخصات بالاتر فراتر از حفاظت هستند. آنها جریان بلادرنگ در هر فاز، ولتاژ، ضریب توان، مصرف انرژی و اعوجاج هارمونیک را اندازه گیری می کنند. برخی از واحدها رویدادهای سفر را با مُهرهای زمانی و بزرگی جریان خطا ثبت می‌کنند و تجزیه و تحلیل علت اصلی را پس از یک خطا امکان‌پذیر می‌سازند. این داده ها را می توان از طریق پروتکل های ارتباطی دیجیتال مانند Modbus RTU یا IEC 61850 به یک سیستم مدیریت ساختمان یا پلت فرم SCADA منتقل کرد.

هماهنگی انتخابی با قطع کننده های مدار هوا

هماهنگی انتخابی به این معنی است که فقط دستگاه محافظ بلافاصله در بالادست یک خطا کار می کند و بقیه سیستم را روشن می کند. دستیابی به گزینش پذیری کامل در یک سیستم توزیع لایه ای یکی از دلایل اصلی مهندسین برای تعیین قطع کننده های مدار هوا در بالای سلسله مراتب حفاظتی است.

یک سیستم سه سطحی را در نظر بگیرید: قطع کننده مدار هوای ورودی در 4000A، قطع کننده مدار هوای زیر توزیع در 1600A، و قطع کننده مدار قالبی در 400A. با تنظیم واحد 4000A با تاخیر کوتاه مدت 400 میلی‌ثانیه، واحدهای 1600 آمپر با تأخیر 200 میلی‌ثانیه، و واحدهای 400 آمپر با تأخیر 100 میلی‌ثانیه یا تردد آنی، خطای مدار نهایی توسط دستگاه 400 آمپر بدون ایجاد اختلال در سطوح 16000 آمپر برطرف می‌شود. این در عمل گزینش زمان فعلی است.

برای این که این روش کار کند، هر قطع کننده مدار هوا باید دارای درجه جریان مقاومت کوتاه مدتی برابر یا بیشتر از جریان خطای احتمالی در محل خود باشد. رتبه بندی از 50 کیلو آمپر برای 200 میلی‌ثانیه یا 85 کیلو آمپر برای 100 میلی‌ثانیه مشخصات رایج برای تابلوهای توزیع اصلی که از ترانسفورماتورهای بزرگ تغذیه می شوند.

Draw-out در مقابل نصب ثابت

قطع کننده های مدار هوا در دو پیکربندی پایه ای در دسترس هستند که هر کدام دارای مزایای عملیاتی متمایز هستند.

پیکربندی Draw-Out (قابل برداشت).

بریکر بر روی یک کالسکه با سه موقعیت وصل، تست و قطع نصب می شود. در موقعیت تست، مدارهای کنترل روشن می مانند اما کنتاکت های برق اصلی جدا شده اند. این امکان تست رله و بررسی عملکردی را بدون قطع انرژی باسبار بالادست فراهم می کند. در حالت قطع، دستگاه را می توان به صورت فیزیکی از اتاقک برای بازرسی تماس یا تعویض خارج کرد. نصب کششی یک روش استاندارد برای بریکرهای ورودی است که بارهای بحرانی را تغذیه می کنند، در جایی که خرابی غیرقابل قبول است.

پیکربندی ثابت

بریکر مستقیماً به شینه های تابلو برق وصل می شود. این چیدمان ساده‌تر و فشرده‌تر است، اما نیاز دارد که منبع بالادست قبل از شروع هر گونه کار تعمیر و نگهداری جدا شود. نصب ثابت برای فیدرهای خروجی با بحرانی کمتر یا در کاربردهایی که کاهش هزینه سرمایه در اولویت است قابل قبول است.

کاربردهای معمول بر اساس صنعت

قطع کننده های مدار هوا تقریباً در هر بخش که به توزیع ولتاژ پایین جریان بالا متکی است ظاهر می شود. در زیر موارد استفاده متداول با الزامات خاص که انتخاب آنها را هدایت می کند، آورده شده است.

مراکز داده

قطع کننده های اصلی ورودی در تابلوی ولتاژ پایین پایین دست ترانسفورماتور 2000 کیلوولت آمپر یا بزرگتر معمولاً در جریان برق 3200 تا 4000 آمپر کار می کنند. نصب کشی و هماهنگی انتخابی کامل الزامی است. اندازه گیری انرژی از طریق واحد سفر از گزارش اثربخشی مصرف برق پشتیبانی می کند.

تولید صنعتی

مراکز کنترل موتور و بردهای توزیع ماشین ابزار از قطع کننده های مدار هوا در موقعیت ورودی استفاده می کنند تا در برابر خطاهای بالادست محافظت کنند و یک نقطه ایزوله دستی ایجاد کنند. برای مثال، یک واحد 1600 آمپری که بخشی از خط تولید را تغذیه می‌کند، باید در برابر جریان‌های هجومی راه‌اندازی مکرر موتور شش تا ده برابر بار کامل بدون خاموش شدن مزاحم مقاومت کند، که تنظیمات طولانی‌مدت پیکاپ و تأخیر دقیقاً آن را انجام می‌دهند.

بیمارستان ها و مراکز درمانی

تداوم قدرت در مناطق مراقبت های ویژه یک نیاز ایمنی بیمار است. قطع کننده های مدار هوا با قفل های انتخابی منطقه به دستگاه های بالادست و پایین دست اجازه می دهد تا مستقیماً با هم ارتباط برقرار کنند. هنگامی که یک قطع کننده پایین دست یک عیب را تشخیص می دهد، به مدار شکن هوای بالادست سیگنال می دهد تا سفر خود را به تاخیر بیندازد، و اطمینان حاصل شود که عیب تا حد امکان نزدیک به منبع پاک می شود و در عین حال منبع تغذیه سایر بخش های برد را حفظ می کند. این باعث کاهش انرژی غیر ضروری مدارهای ایمنی زندگی می شود.

پست های انرژی تجدیدپذیر و تاسیسات برق

مزارع خورشیدی در مقیاس بزرگ و سیستم های جمع کننده توربین بادی از قطع کننده های مدار هوا در خروجی ولتاژ پایین ترانسفورماتورهای اینورتر استفاده می کنند. نسخه های چهار قطبی هر دو هادی فاز و خنثی را محافظت می کنند، که در سیستم های ایزوله از ترانسفورماتور که جابجایی خنثی می تواند در طول خطاهای زمین رخ دهد بسیار مهم است.

رتبه‌بندی‌های کلیدی و استانداردهایی که قبل از تعیین باید بررسی شوند

انتخاب یک مدار شکن هوا مستلزم تأیید چندین مقدار نامی در برابر نیازهای سیستم است. نادیده گرفتن هر یک از این موارد می تواند منجر به آسیب دیدگی تجهیزات یا قطع نشدن یک خطا شود.

1. ظرفیت قطعی نهایی اتصال کوتاه (Icu): حداکثر جریان خطا که بریکر می تواند یک بار قطع کند. باید از جریان اتصال کوتاه احتمالی در محل نصب تجاوز کند.
2. ظرفیت قطع اتصال کوتاه سرویس (ICS): جریان عیب بریکر می تواند مکرراً قطع شود. معمولاً به عنوان درصد Icu بیان می شود، اغلب 100٪ برای قطع کننده های مدار هوا که برای عملیات مکرر در نظر گرفته شده است.
3. جریان مقاومت کوتاه مدت نامی (Icw): جریان عیبی که بریکر می تواند برای مدت معینی بدون قطع یا آسیب حمل کند، که برای محاسبات هماهنگی انتخابی حیاتی است.
4. ولتاژ نامی: باید با ولتاژ نامی سیستم، معمولاً 400 ولت، 415 ولت، 440 ولت یا 690 ولت AC مطابقت داشته باشد یا از آن فراتر رود.
5. فرکانس امتیازی: 50 هرتز یا 60 هرتز؛ تأیید کنید که آیا نصب در مدار خروجی درایو فرکانس متغیر است، جایی که ممکن است کاهش اعمال شود.
6. استانداردهای قابل اجرا: IEC 60947-2 بر قطع کننده های مدار ولتاژ پایین حاکم است و روش های تست را برای همه رتبه های فوق تعریف می کند. برخی از بازارها برای قطع کننده های مدار هوای مورد استفاده در پانل های آمریکای شمالی نیز به انطباق با UL 1066 نیاز دارند.

فواصل نگهداری و نشانگرهای سایش تماس

قطع کننده های مدار هوا به تعمیر و نگهداری دوره ای نیاز دارند تا از عملکرد قابل اعتماد در طول عمری که می تواند 20 تا 30 سال باشد اطمینان حاصل شود. اکثر سازندگان توصیه می کنند که هر 12 ماه یکبار یا پس از تعداد مشخصی از چرخه های عملیاتی، هر کدام که زودتر انجام شود، یک بازرسی نگهداری انجام شود. رتبه بندی معمول تعمیر و نگهداری 10000 عملیات مکانیکی و 2000 عملیات الکتریکی در جریان نامی است.

بازرسی معمول تعمیر و نگهداری چه چیزی را پوشش می دهد

• بازرسی بصری تماس های اصلی برای حفره، فرسایش یا رسوبات کربن. تعویض تماس زمانی که نشانگرهای سایش به حداقل ضخامت مشخص شده روی مجموعه تماس می رسند
• تمیز کردن و روغن کاری مکانیزم عملکرد و ریل های کالسکه با گریس دی الکتریک مناسب
• آزمایش واحد سفر با تزریق اولیه یا تزریق ثانویه برای تأیید اینکه تنظیمات پیکاپ و تاخیر زمانی در محدوده تحمل هستند، معمولاً مثبت یا منفی 10٪
• بررسی کانال قوس برای تجمع کربن و تعویض صفحات دیون در صورت فرسایش شدید
• بررسی گشتاور در تمام شینه ها و پایانه های کابل برای جلوگیری از اتصالات با مقاومت بالا که باعث گرم شدن بیش از حد می شوند.

اسکن ترموگرافی مادون قرمز در حین کار عادی یک تکنیک مکمل ارزشمند است. افزایش دما بیش از 10 درجه سانتیگراد بالاتر از پایانه های مجاور همان فاز، نشان دهنده یک خطای در حال توسعه در یک اتصال است که اجازه می دهد تا قبل از وقوع خرابی، اقدام اصلاحی انجام شود.

قفل انتخابی منطقه برای پاکسازی سریعتر عیب

اینترلاک انتخابی ناحیه، که اغلب به اختصار ZSI نامیده می شود، یک طرح ارتباطی سخت بین کلیدهای مدار هوا در همان برد توزیع یا بین یک قطع کننده اصلی و فیدرهای آن است. هنگامی که یک خطا رخ می دهد، بریکر نزدیک به خطا یک سیگنال مهار را به دستگاه بالادست ارسال می کند. بریکر بالادست، با دریافت سیگنال مهار، می داند که نزدیکترین دستگاه به خطا نیست و تاخیر کوتاه مدت خود را نگه می دارد. قطع کننده پایین دست، عیب را در سریع ترین حالت خود بدون انتظار برای تأخیر کامل برطرف می کند. اگر قطع کننده پایین دست نتواند عیب را در یک پنجره زمانی از پیش تعیین شده (معمولاً 80 میلی ثانیه تا 100 میلی ثانیه) پاک کند، قطع کننده بالادست مهار را لغو می کند و خاموش می شود.

ZSI سرعت تریپ آنی را با انتخاب هماهنگی تاخیر زمانی ترکیب می کند کاهش انرژی فلاش قوس در پانل های پایین دست و در عین حال حفظ تداوم عرضه در برد اصلی. این امر آن را به ویژه در بیمارستان‌ها، کارخانه‌های نیمه‌رسانا و سایر امکاناتی که هم ایمنی و هم تداوم غیرقابل مذاکره هستند، ارزشمند می‌کند.

اشتباهات رایج در اندازه گیری و نحوه اجتناب از آنها

حتی مهندسان باتجربه گهگاه در انتخاب قطع کننده مدار هوا اشتباه می کنند. موارد زیر رایج ترین مسائل مربوط به اندازه گیری هستند.

دست کم گرفتن جریان اتصال کوتاه احتمالی

جریان خطای احتمالی در تابلوی اصلی تغذیه شده توسط ترانسفورماتور 2500 کیلوولت آمپر در ولتاژ 400 ولت با امپدانس 6% تقریباً می باشد. 60 کیلو آمپر . مشخص کردن یک بریکر با Icu تنها 50 کیلو آمپر، کوچک کردن اندازه خطرناکی خواهد بود. همیشه حداکثر سهم خطا از جمله هر ژنراتور متصل یا بانک خازن بزرگ را محاسبه کنید.

نادیده گرفتن کاهش برای دمای محیط

کلیدهای مدار هوا در دمای 40 درجه سانتیگراد در داخل محفظه درجه بندی می شوند. در اتاق های سوئیچ در فضای باز یا آب و هوای گرمسیری که دمای محفظه به طور منظم به 55 درجه سانتیگراد می رسد، درجه جریان پیوسته باید بسته به مدل، معمولاً بین 8 تا 12 درصد کاهش یابد. عدم اعمال این کاهش منجر به سایش سریع تماس و سفرهای طولانی مدت کذب می شود.

انتخاب نصب ثابت برای فیدرهای بحرانی

تعیین یک بریکر ثابت برای صرفه جویی در هزینه ها در یک درآمد حیاتی به این معنی است که هرگونه تعمیر و نگهداری یا جایگزینی نیاز به خاموش کردن کامل تابلو توزیع پایین دستی دارد. برای یک فیدر که خط تولید را به صورت شبانه روزی کار می کند، هزینه یک خاموشی برنامه ریزی نشده به مراتب بیشتر از تفاوت قیمت بین نصب ثابت و نصب می شود.