چه چیزی کلیدهای مدار هوا را به انتخاب مناسب برای حفاظت در برابر جریان بالا تبدیل می کند؟

مدار شکن هوا چیست و چگونه کار می کند؟

یک قطع کننده مدار هوا (ACB) یک وسیله کلیدزنی و حفاظتی است که در سیستم‌های توزیع برق ولتاژ پایین استفاده می‌شود - معمولاً برای مدارهایی که با ولتاژ تا 1000 ولت AC و در جریان‌های 630 آمپر تا 6300 آمپر یا بالاتر کار می‌کنند. مشخصه تعیین کننده ACB، همانطور که از نامش پیداست، این است که از هوا در فشار اتمسفر به عنوان رسانه خاموش کننده قوس استفاده می کند. هنگامی که بریکر در شرایط خطا باز می شود، قوسی که بین کنتاکت های جداکننده ایجاد می شود به داخل یک کانال قوس کشیده می شود - یک سری صفحات جداکننده فلزی که قوس را تقسیم و خنک می کنند و به سرعت مقاومت آن را افزایش می دهند تا زمانی که خاموش شود. این مکانیسم خاموش کردن قوس به روغن عایق، قطع کننده خلاء یا گاز فشرده نیاز ندارد، که نگهداری و بازرسی ACB را نسبت به بسیاری از فناوری‌های جایگزین ساده‌تر می‌کند.

در داخل یک ACB، مکانیسم عملیاتی انرژی مکانیکی را در مجموعه ای از فنرهای بسته کننده که به صورت دستی یا با موتور شارژ می شوند، ذخیره می کند. هنگامی که یک سیگنال سفر دریافت می شود - از واحد سفر الکترونیکی که اضافه بار، اتصال کوتاه، خطای زمین یا سایر عملکردهای حفاظتی را تشخیص می دهد - یک چفت انرژی ذخیره شده فنر را آزاد می کند و کنتاکت های اصلی با سرعت بالا جدا می شوند. سرعت جداسازی تماس بسیار مهم است: هر چه کنتاکت ها سریعتر باز شوند، زمان قوس کوتاه تر می شود و انرژی کمتری به کانال قوس و اجزای اطراف آن سپرده می شود. ACBهای مدرن به جداسازی تماس در کمتر از 10 میلی ثانیه از سیگنال سفر تا جداسازی تماس و زمان کلی پاکسازی (از جمله خاموش شدن قوس) معمولاً کمتر از 25 تا 40 میلی ثانیه برای خطاهای اتصال کوتاه می رسند.

جایی که از قطع کننده های مدار هوا استفاده می شود

ACB ها در بالاترین سطوح جریان در سلسله مراتب توزیع برق کم ولتاژ نصب می شوند - قطع کننده های مدار ورودی اصلی در تابلوهای توزیع اصلی (MDB)، فیدرهای اولیه به تابلوهای توزیع فرعی بزرگ، و موقعیت های کوپلر ورودی و باس در مجموعه های تابلو برق ولتاژ پایین. درجه‌بندی جریان بالا، قابلیت خاموش کردن قوس قوی و عملکردهای حفاظتی گسترده آنها را به انتخاب استانداردی در هر جایی تبدیل می‌کند که عواقب یک خطا - آسیب حرارتی، خطر آتش‌سوزی، تخریب تجهیزات، یا ایمنی پرسنل - بالاترین سطح حفاظت و گزینش را می‌طلبد.

محیط‌های نصب معمولی شامل کارخانه‌های تولید صنعتی، ساختمان‌های بلند تجاری، مراکز داده، بیمارستان‌ها، نیروگاه‌ها، پست‌ها، تأسیسات تصفیه آب و سیستم‌های الکتریکی دریایی است. در هر یک از این محیط‌ها، ACB به عنوان دروازه‌بان بین ثانویه ترانسفورماتور و شبکه توزیع پایین دست عمل می‌کند و عملکرد صحیح آن در هنگام خطا، مهم‌ترین رویداد واحد در محدود کردن وسعت و مدت یک حادثه الکتریکی است.

انواع مدار شکن هوا

ACB های ثابت نصب شده

ACBهای ثابت مستقیماً به تابلوی تابلو یا تابلو توزیع پیچ می شوند و بدون جدا کردن شینه ها و کابل ها نمی توان آنها را خارج کرد. این طراحی فشرده تر و هزینه کمتری نسبت به نمونه های مشابه کشش دارد، اما نیاز به قطع برق و باز شدن پانل برای هرگونه تعمیر و نگهداری، آزمایش یا تعویض بریکر دارد. ACBهای ثابت در تاسیساتی مناسب هستند که مدار را می توان بدون تاثیر غیرقابل قبول بر تداوم تامین از سرویس خارج کرد - تاسیسات صنعتی کوچکتر، تابلوهای توزیع ثانویه، یا سیستم هایی با انعطاف پذیری برنامه ریزی تعمیر و نگهداری کافی.

Drawout (قابل برداشت) ACB

ACBهای کششی روی یک مکانیسم پایه نصب می شوند که به قطع کننده اجازه می دهد بدون ایجاد اختلال در شینه های اصلی یا اتصالات کابل، از پانل تابلو برق به حالت آزمایشی یا قطع شده خارج شود. در موقعیت متصل، کنتاکت های قطع کننده اولیه و ثانویه بریکر با کنتاکت های ثابت در پانل درگیر می شوند. بیرون کشیدن بریکر به موقعیت تست، کنتاکت های اصلی برق را جدا می کند و در عین حال اتصالات مدار کنترلی و کمکی را حفظ می کند، و این امکان را می دهد که واحد تریپ و عملکردهای حفاظتی تحت شرایط خطای شبیه سازی شده با پانل زنده آزمایش شوند. عقب نشینی کامل در موقعیت قطع، تمام اتصالات را ایزوله می کند، و اجازه می دهد تا قطع کننده برای تعمیر و نگهداری یا جایگزینی برداشته شود در حالی که بقیه تخته توزیع برق باقی می ماند. این قابلیت، ACBهای کششی را به مشخصات استاندارد برای کاربردهای حیاتی تبدیل می کند که در آن تداوم عرضه به مدارهای دیگر در طول تعمیر و نگهداری الزامی است - بیمارستان ها، مراکز داده و فرآیندهای صنعتی که به طور مداوم کار می کنند.

ACB های موتوری

هر دو ACB ثابت و کششی را می توان با مکانیزم های موتوری مشخص کرد که امکان بسته شدن و باز شدن برقی از راه دور را بدون دخالت دستی در پانل فراهم می کند. یک ACB موتوردار را می توان از طریق یک سیستم مدیریت ساختمان (BMS)، یک پلت فرم SCADA، یا یک رله مدیریت توان اختصاصی کنترل کرد، که طرح های مدیریت بار، انتقال خودکار بین منابع تغذیه، و رفع خطا از راه دور و بسته شدن مجدد بدون اعزام برقکار به محل پانل را امکان پذیر می کند. مکانیسم شارژ فنر موتور همچنین تضمین می‌کند که فنرهای بسته‌کننده همیشه بلافاصله پس از یک کار بسته دوباره شارژ می‌شوند و باعث می‌شود که شکن برای بسته شدن سریع بدون شارژ دستی فنر آماده شود.

رتبه بندی های کلیدی و معنای آنها

انتخاب یک ACB برای یک برنامه خاص مستلزم درک رتبه بندی های کلیدی مشخص شده در پلاک نام شکن و در برگه اطلاعات فنی سازنده است. استفاده نادرست از این رتبه بندی ها یکی از شایع ترین علل خرابی ACB در شرایط خطا است.

رتبه‌بندی جریان مقاومت کوتاه مدت (Icw) به‌ویژه در کاربردهای ACB مهم است و نشان‌دهنده قابلیتی است که در قطع‌کننده‌های مدار قالب‌گیری شده (MCCB) کمتر از یک رتبه‌بندی خاص وجود ندارد. Icw به ACB اجازه می دهد تا بسته بماند و جریان خطا را برای مدت معینی (معمولاً 1 ثانیه) بدون خاموش شدن حمل کند. این قابلیت برای دستیابی به گزینش پذیری (تبعیض) در یک سیستم توزیع ضروری است: ACB بالادست بسته نگه می‌دارد در حالی که یک قطع کننده پایین دست خطا را برطرف می‌کند، و به جای ایجاد یک سفر بالادستی که بخش وسیع‌تری از تاسیسات را قطع می‌کند، وسعت قطع منبع را فقط در مدار خطا محدود می‌کند.

واحدهای سفر الکترونیکی: هوش ACB مدرن

واحد تریپ الکترونیکی (ETU) - که به آن آزادسازی الکترونیکی یا واحد سفر هوشمند نیز می گویند - ماژول کنترلی مبتنی بر ریزپردازنده است که جریان را از طریق هر قطب ACB نظارت می کند و در صورت تجاوز از آستانه های حفاظتی تعریف شده دستورات سفر را اجرا می کند. ETU های مدرن مکانیسم های ترمز حرارتی- مغناطیسی قبلی را با عملکردهای حفاظتی کاملاً قابل تنظیم و مشخص شده جایگزین می کنند که می توانند برای مطابقت با نیازهای خاص هر نصب بدون جایگزینی هیچ جزء سخت افزاری پیکربندی شوند.

حفاظت از اضافه بار (تاخیر طولانی مدت - LTD)

عملکرد تاخیر طولانی مدت از کابل ها و تجهیزات در برابر جریان اضافه بار پایدار محافظت می کند که در حالی که کمتر از سطح اتصال کوتاه است، در صورت تداوم ماندن باعث آسیب حرارتی می شود. جریان پیکاپ (Ir) قابل تنظیم است، معمولاً از 40٪ تا 100٪ جریان نامی قطع کننده، اجازه می دهد که آستانه حفاظتی به جای پیش فرض با حداکثر درجه شکن، با توان واقعی کابل مطابقت داشته باشد. تأخیر زمانی (tr) نیز قابل تنظیم است، که با مشخصه زمانی معکوس مشخص می‌شود که به جریان‌های اضافه بار کوتاه مدت (مانند هجوم راه‌اندازی موتور) اجازه می‌دهد بدون خاموش شدن عبور کند و در عین حال از اضافه بارهای پایدار محافظت می‌کند.

حفاظت در برابر اتصال کوتاه (تأخیر کوتاه مدت - STD و آنی)

عملکرد تأخیر کوتاه مدت (STD) جریان‌های خطای سطح بالا را شناسایی می‌کند و پس از تأخیر زمانی عمدی، شکن را خاموش می‌کند - قابل تنظیم از 0.05 تا 0.4 ثانیه در اکثر ETU‌ها - تا به دستگاه‌های حفاظتی پایین‌دست اجازه دهد ابتدا کار کنند (انتخابی). عملکرد آنی (I) هنگامی که جریان خطا از آستانه بسیار بالایی فراتر رود - که معمولاً روی 10 تا 15 برابر جریان نامی تنظیم می شود - بدون تأخیر عمدی قطع کننده را خاموش می کند - که نشان دهنده یک خطای نزدیک است که در آن پتانسیل آسیب آنقدر شدید است که هیچ تاخیری قابل قبول نیست. ترکیبی از STD قابل تنظیم و تنظیمات آنی به مهندس حفاظت اجازه می دهد تا منحنی پاسخ شکن را برای دستیابی به گزینش پذیری با دستگاه های پایین دستی و پاک کردن سریع عیوب شدید انجام دهد.

حفاظت از خطای زمین

حفاظت از خطای زمین (EFP) جریان باقیمانده در هادی زمین را تشخیص می دهد - جریانی که از هادی های فاز خارج شده است اما از طریق خنثی برنگشته است و نشان می دهد که از طریق یک مسیر زمین ناخواسته در حال عبور است. در سیستم های ارت TN-S و TT، حفاظت از خطای زمین در ACB یک سطح پشتیبان از حفاظت را برای خطاهای زمین با امپدانس بالا فراهم می کند که ممکن است جریان کافی برای عملکرد حفاظت اتصال کوتاه تولید نکند. آستانه پیکاپ خطای زمین (Ig) به طور مستقل قابل تنظیم است و تاخیر زمانی (tg) را می توان برای هماهنگی با دستگاه های جریان باقیمانده پایین دست (RCD) تنظیم کرد.

ACB در مقابل MCCB: انتخاب فناوری مناسب

مرز بین کلیدهای مدار هوا و قطع کننده های مدار قالب بندی شده (MCCB) اغلب اشتباه درک می شود. هر دو فناوری حفاظت در برابر جریان اضافه و اتصال کوتاه را ارائه می‌کنند، اما در محدوده رتبه‌بندی فعلی، ظرفیت شکست، قابلیت تنظیم حفاظت، قابلیت نگهداری و هزینه تفاوت اساسی دارند. درک این تفاوت‌ها هم از کمبود مشخصات (استفاده از MCCB در موقعیتی که به قابلیت ACB نیاز دارد) و هم از تعیین بیش از حد (انتخاب یک ACB که در آن MCCB با هزینه کمتر به همان اندازه خوب عمل می‌کند) جلوگیری می‌کند.

• رتبه فعلی: MCCB تا حدود 1600 آمپر در خطوط تولید استاندارد موجود است. بالاتر از این سطح، ACB ها تنها انتخاب عملی هستند. برای رتبه بندی بین 630A و 1600A، هر دو فناوری در دسترس هستند و تصمیم گیری شامل عوامل دیگری است.
• جریان مقاومت کوتاه مدت (Icw): این رتبه بندی واضح ترین وجه تمایز است. ACB ها رتبه بندی های Icw را تعریف کرده اند که امکان انتخاب درجه بندی زمانی را در سطوح بالای جریان خطا فراهم می کند. MCCBهای استاندارد کمتر از حدود 800A معمولاً دارای رتبه بندی Icw معنی داری نیستند - آنها به طور آنی در جریان های خطای بالا حرکت می کنند و دستیابی به گزینش پذیری با دستگاه های پایین دست برای خطاهای نزدیک را غیرممکن می کند.
• قابلیت تنظیم حفاظت: واحدهای سفر الکترونیکی ACB پارامترهای حفاظتی کاملاً قابل تنظیم را در همه عملکردها ارائه می دهند. تنظیمات حفاظت MCCB معمولاً محدودتر است، با برخی از واحدهای دارای رتبه پایین‌تر فقط ویژگی‌های حرارتی-مغناطیسی ثابت را ارائه می‌دهند.
• قابلیت نگهداری: ACB ها برای بازرسی و نگهداری طراحی شده اند - کنتاکت ها، کانال های قوس الکتریکی و مکانیسم های عملیاتی را می توان در میدان بازرسی و سرویس کرد. MCCB ها عمدتاً واحدهای مهر و موم شده ای هستند که به جای نگهداری پس از پایان عمر مفید جایگزین می شوند.
• هزینه: ACB ها حق بیمه قابل توجهی را نسبت به MCCB ها در رتبه های فعلی معادل دارند. این حق بیمه با قابلیت های اضافی که در بالا توضیح داده شد توجیه می شود، اما در مواردی که این قابلیت ها توسط برنامه مورد نیاز نیست، نباید پرداخت شود.

معیارهای انتخاب و مراحل مشخصات عملی

تعیین صحیح یک ACB مستلزم توالی مشخصی از محاسبات و تصمیمات است که باید قبل از انتخاب محصول از کاتالوگ سازنده تکمیل شود. نادیده گرفتن مراحل در این فرآیند منجر به استفاده نادرست می‌شود، با پیامدهایی از خاموش شدن مزاحم تا شکست در قطع ایمن یک خطا.

با تعیین جریان نامی (In) مورد نیاز بر اساس حداکثر جریان بار پیوسته مدار، اعمال هر گونه فاکتور کاهش قابل اعمال برای دمای محیط و روش نصب شروع کنید. جریان اتصال کوتاه احتمالی (PSCC) را در نقطه نصب با استفاده از امپدانس ترانسفورماتور، امپدانس کابل و داده‌های سطح خطای سیستم محاسبه کنید - این رقم نباید از رتبه Icu ACB و در حالت ایده‌آل از رتبه Ics برای قابلیت سرویس دهی معمول پس از رفع عیب تجاوز کند. تعیین کنید که آیا گزینش پذیری با دستگاه های پایین دست نیاز به رتبه بندی Icw دارد یا خیر، و اگر چنین است، چه تأخیر زمانی و چه سطح فعلی باید به دست آید. الزامات حفاظتی ETU را تعیین کنید - عملکردهای حفاظتی مورد نیاز، در چه تنظیماتی - و تأیید کنید که این موارد در نوع واحد سفر انتخابی موجود است. در نهایت، الزامات مکانیکی را تأیید کنید: ثابت یا کششی، موتوری یا دستی، کنتاکت‌های کمکی و خروجی‌های سیگنال مورد نیاز برای ادغام با سیستم BMS یا SCADA، و جهت‌گیری اتصال شینه سازگار با مجموعه تابلو برق.

تولیدکنندگان پیشرو ACB از جمله ABB، Schneider Electric، Siemens، Eaton، و Chint نرم افزارهای انتخاب دقیق و ابزارهای هماهنگی را منتشر می کنند که محاسبات گزینشی و تبعیض را پس از وارد کردن سطح خطای سیستم و رتبه بندی دستگاه، خودکار می کند. استفاده از این ابزارها در مرحله طراحی، به جای تکیه بر تخمین‌های قاعده سرانگشتی، مطمئن‌ترین راه برای اطمینان از عملکرد سیستم حفاظتی در شرایط خطای واقعی است - که در نهایت، تنها عملکردی است که هنگام وقوع خطا اهمیت دارد.