کلید هوایی

کلید هوایی چیست؟

کلیدهای هوایی یا همان ACB مخفف واژه Air Circuit Breaker، از خانواده کلیدهای اتوماتیک، نوعی بریکر یا قطع کننده اتوماتیک فشار ضعیف هستند که در آمپرهای بالا معمولا در ورودی تابلو برق های فشار ضعیف به کار می روند.

دلیل اینکه به این کلیدها هوایی گفته می شود این است که در این کلیدها عمل اطفاء جرقه هنگام کلیدزنی، در محفظه قطعی که با هوای آزاد به صورت فشرده پر شده است، صورت می پذیرد. این کلیدها به مرور جایگزین کلیدهای روغنی شدند و در برخی کشورهای پیشرفته مانند ایتالیا و فرانسه، به عنوان قطع کننده برای رنج بالای 15 کیلووات استفاده می شوند و در برخی کشورها نیز مانند آمریکا، بیشتر جای خود را به کلیدهای خلا و SF6 داده اند.

کلیدهای هوایی دو وظیفه اصلی را بر عهده دارند. وظیفه اول سوئیچینگ و وظیفه دوم حفاظت از مدار می باشد. به عبارت دیگر کلیدهای هوایی علاوه بر قطع و وصل خط، از شبکه نیز محافظت می کنند و در شرایطی همچون افزایش یا کاهش ولتاژ، اتصال کوتاه شدن شبکه کاهش یا افزایش بیش از حد فرکانس، افزایش حرارت تجهیزات در برابر عبور جریان زیاد و یا اضافه بار، از سنکرون خارج شدن ژنراتورها و غیره، از شبکه محافظت می نماید. حفاظت کلیدهای هوایی هم به دو صورت مغناطیسی و حرارتی است. این کلید پس از عمل کردن می تواند به صورت دستی یا اتوماتیک دوباره وارد مدار شود. کلید هوایی نسبت به سایر کلیدهای اتوماتیک فشار ضعیف، رنج جریانی بالاتری را پوشش می دهند و لذا بیشتر در ورودی تابلوها به کار می روند.

چرا به این نوع کلیدها هوایی گفته می شود؟

دلیل اینکه به این کلیدها هوایی گفته می شود این است که در این کلیدها اطفاء جرقه هنگام کلیدزنی در محفظه پر شده با هوای آزاد فشرده صورت می پذیرد و لذا کنتاکت های کلید مسیر طولانی ای جهت خاموش کردن جرقه باید طی کنند که این از معایب کلید هوایی است. در اثر خاموش شدن این جرقه ها، گازهای اضافی به وجود می آیند که باید از طریقی از کلید خارج شوند. این کلیدها از نظر ابعادی نیز از کلیدهای خلاء و SF6 بزرگتر هستند. در این کلیدها دسترسی به کنتاکت های اصلی کلید با برداشتن جرقه گیرها به راحتی امکان پذیر است در صورتی که در سایر کلیدها اینگونه نیست.

کلیدهای هوایی به دو صورت سه پل و چهار پل ساخته می شوند. کلیدهای هوایی دو نوع فیکس و کشویی می باشند که علاوه بر قطع و وصل مدار وظیفه حفاظت از شبکه را نیز بر عهده دارند. با توجه به ظرفیت بالای کلید های هوایی، از این کلیدها در ورودی تابلوها قرار داده می شوند.

انواع کلید هوایی

کلیدهای هوایی در دو مدل ثابت (FIX) و کشویی تولید می شوند که در تصویر زیر هر دو نوع این محصول درج شده است.

وظایف و کارکردهای کلید هوایی

1. حفاظت شبکه در برابر اتصال کوتاه
2. حفاظت شبکه در برابر افزایش و یا کاهش بیش از حد ولتاژ
3. حفاظت شبکه در برابر افزایش و یا کاهش بیش از حد فرکانس
4. حفاظت تجهیزاتی یا فیدرها در برابر اضافه بار یا افزایش حرارت
5. حفاظت ژنراتورها در برابر خروج از سنکرون

فیوز فشار قوی

جهت حفاظت اتصال کوتاه در این کلیدها ممکن است از فیوزهای فشار قوی استفاده گردد.

اتصال کوتاه یکی از پر کاربردترین خطرات و خطاهایی است که یک شبکه را تهدید می کند. خطای اتصال کوتاه به این صورت است که دو فاز با یکدیگر و یا سه عدد از فازها با یکدیگر یا با نول اتصال پیدا می کنند و در این حالت 10 تا 100 برابر جریان عادی از شبکه عبور می نماید. عبور چنین جریان زیادی سبب از بین رفتن عایق تجهیزات شبکه و بالا رفتن بسیار زیاد حرارت و لذا سوختن تجهیز طی چند ثانیه می گردد. به همین دلیل تشخیص حالت غیر عادی و رفع خطا در سیستم باید در کمترین زمان صورت پذیرد. برای تشخیص خطاها و حالات غیر عادی در شبکه و جدا کردن بخش معیوب از سایر بخش ها از سیستم حفاظت استفاده می گردد. در کلید هوایی به وسیله عملکرد رله ها، قسمت های معیوب شناخته شده و از مدار جدا می شوند.

کلیدهای هوایی از نظر ساختار به این صورت طراحی شده اند که به صورت اتوماتیک توسط موتور یا رله و یا به صورت دستی در شرایط اتصال کوتاه (که تا 10 برابر جریان نامی از کلید ممکن است عبور کند) مدار را قطع نمایند و شبکه را از خطر نابودی حفظ نمایند.

نحوه شارژ و دشارژ کردن فنر کلید هوایی و قطع و وصل کلید

قطع و وصل کلیدهای هوایی غالبا توسط فنر شارژ شده، انجام می شود. این فنر یا به صورت دستی و یا اتوماتیک به وسیله یک موتور شارژ می گردد و کلید آماده به کار می شود. جهت شارژ دستی کلید باید اهرم روی کلید را چندین بار از بالا به پایین حرکت داد تا فنر شارژ شده و نشانگر روی کلید علامت شارژ را نمایش دهد (Charged OK) و برای شارژ اتوماتیک کلید هوایی نیز از یک عدد موتور استفاده می گردد به این صورت که پس از قرار دادن موتور در محل مخصوص خود مطابق کاتالوگ و دستورالعمل نصب، با اعمال ولتاژ به موتور، موتور شروع به شارژ فنر می نماید. پس از شارژ شدن فنر، مکانیزم کلید آماده وصل شدن است. با فشار دادن شاسی CLOSE بر روی کلید، کنتاکت ها به هم وصل می شوند و با فشار دادن شاسی OPEN، مدار قطع می گردد. برخی از این کلیدها را می توان به عنوان کلید زمین به کار برد به این صورت که پس از بیرون آوردن کلید از تابلو توسط اهرم روی کلید، ورودی های کلید بهم وصل می شوند و با جا زدن کلید داخل تابلو این ورودی ها زمین شده و لذا مصرف کننده های پشت کلید زمین می شوند. این حالت توسط نشانگر روی کلید قابل مشاهده است.

خاموش شدن جرقه توسط کلید هوایی

در داخل کلیدهای هوایی برای خاموش کردن جرقه ناشی از قطع جریان از محفظه های جرقه گیر بزرگ جهت اطفاء جرقه استفاده می شود. جنس این محفظه ها از سیلیس یا آزبست است و به صورت مشبک و لایه لایه ساخته شده و در قسمت بالای کلید هوایی نصب می گردند.

نحوه کار این جرقه گیرها به این صورت است که جرقه ها را به سمت جرقه گیر هدایت می نمایند و جرقه را به جرقه های کوچکتر تقسیم می نمایند و به این صورت جرقه زودتر خاموش می گردد.

واحد جرقه گیر در کلید هوایی، با تقسیم جرقه ها به جرقه های کوچکتر، خاموشی آنها را راحت تر می کند.

کلیدهای هوایی عموما دارای 2 نوع کنتاکت هستند:

• کنتاکت های اصلی یا Main Contact: که در شرایط وصل بودن کلید، وظیفه عبور جریان را به عهده دارند .
• کنتاکت های جرقه زن یا Arcing Contact: که در لحظه قطع و وصل کلید تابلو، که باعث ایجاد جرقه و قوس در کلید می شود، عمل هدایت جرقه به سمت جرقه گیر را به عهده دارند.

در لحظه قطع کلید، ابتدا کنتاکت های اصلی کلید باز می شوند؛ این در حالی است که کنتاکت های جرقه زن هم چنان وصل هستند. سپس با جدا شدن کنتاکت های جرقه زن، بین آنها جرقه تولید می شود که این جرقه از داخل محفظه جرقه گیر عبور کرده و خاموش می شود. در نوعی از کلیدهای هوایی از دمنده برای هدایت جرقه به جرقه گیر استفاده می شود و در نوع دیگر از حلقه مغناطیسی جهت هدایت جرقه به جرقه گیر استفاده می گردد. در این نوع هدایت، نیروی مغناطیسی که در اثر عبور جریان از حلقه ایجاد می شود سبب هدایت جرقه به سمت بالای کلید می گردد و لذا جرقه از داخل جرقه گیرها عبور می کنند.

* جلوگیری از ایجاد جرقه توسط کنتاکت های جرقه زن، باعث افزایش عمر کنتاکت های اصلی کلید هوایی می شود.

اجزای داخلی محفظه جرقه گیر به صورت زیر هستند:

مزیت کلیدهای هوایی نسبت به کلیدهای اتوماتیک کمپکت

1. عمر بالاتر: عمر کلیدهای هوایی 2 برابر عمر کلیدهای اتوماتیک کمپکت است.
2. قدرت قطع بالاتر: کلیدهای هوایی در مقایسه با کلیدهای اتوماتیک کمپکت از قدرت قطع بالاتری نیز برخوردار می باشند. قدرت قطع کلیدهای هوایی بین 55 تا 200 کیلو آمپر می باشد.
3. رنج جریان بالاتر: کلیدهای اتوماتیک تا رنج 1600 آمپر، کلیدهای هوایی از 630 تا 6300 آمپر ساخته می شوند به دو صورت ثابت و کشویی هستند.
4. دقت و حفاظت بالاتر: کلیدهای هوایی از رله های الکترونیکی و میکرو پروسسوری بهره می برند و لذا از دقت و انعطاف بیشتری جهت حفاظت از شبکه دارند.
5. قابلیت سلکتیویتی بالا: یکی از مزایای بسیار خوب کلیدهای هوایی، تشخیص تقدم قطع یا سلکتیویتی (Selectivity) بین کلیدهای ورودی و خروجی که بیشتر از نوع کلیدهای اتوماتیک هستند ضروری است.

معایب کلید هوایی

• تجهیزات مورد نیاز برای تولید هوای لازم برای این کلیدها نیازمند نگهداری زیادی است.
• کمپرسور هوا باید با ظرفیت بالا باشد.
• احتمال نشت و افت فشار هوا از طریق داخل اتصالات لوله‌های هوای داخل کلید وجود دارد.
• احتمال افزایش ولتاژ جرقه زنی مجدد در آن وجود دارد.
• توانایی هوا در خاموش کردن جرقه از خلا و گاز Sf6 کمتر است.

تجهیزات جانبی کلیدهای هوایی

برخی از تجهیزات جانبی کلیدهای هوایی به قرار زیر می باشند:

• کنتاکت کمکی (Auxiliary Switch / Auxiliary Contact)

• اینترلاک مکانیکی (Mechanical Interlock)

وجود قابلیت اینترلاک مکانیکی در کلیدها سبب می شود دو کلید همزمان با هم کار نکنند و هنگامی که یکی از کلیدها وصل است کلید دیگر قطع بماند. در اصل برای ترتیب صحیح کلیدزنی در مدارات قدرت به کار می رود. در نتیجه ی وجود سیستم اینترلاک، پدیده ای با نام پدیده هم برقراری در کلیدهای هوایی مطرح می شود.

پدیده هم برقراری یا تشخیص تقدم قطع یا سلکتیویتی (Selectivity)

کلیدهای هوایی دارای رله های مخصوص داخلی هستند که قابلیت ایجاد تاخیر را دارا هستند. برای برقرار شدن خاصیت Selectivity کامل بین کلیدهای ورودی و خروجی از کلیدهای هوایی استفاده می گردد. Selectivity به معنی تقدم قطع کلیدها نسبت به یکدیگر و در اینجا تقدم قطع کلیدهای خروجی نسبت به کلید اصلی ورودی می باشد، به این معنی که در صورت وقوع خطا در هر یک از فیدرهای خروجی، تنها همان کلید خروجی مربوطه قطع می گردد. ولی در صورتی که خطا تداوم یابد و با قطع شدن کلید فیدر مربوطه مشکل برطرف نشود، کلید هوایی ورودی با تاخیر، برق کل تابلو را قطع می نماید.

در داخل کلیدهای هوایی رله های با خاصیت تاخیری یا همان Time Delay وجود دارند که عامل اصلی قابلیت Selectivity کلید هستند. این رله ها در داخل کلید (Build-in) جاسازی شده اند.

• واحد تریپ یا حفاظت میکرولاجیک (Trip Relay / MicroLogic)

واحد حفاظت میکرولوجیک مدارات قدرت را محافظت می کند. هم چنین اندازه گیری، نمایش، ارتباط و ماکزیمم مقدار جریان را هم ارائه می دهد. این واحد یک واحد کنترلی می باشد که توسط آن می توان حفاظت های زیر را برای کلید هوایی کنترل کرد:

1. حفاظت اتصال کوتاه
2. حفاظت خطای زمین و نشتی
3. حفاظت نول
4. حفاظت اضافه بار
5. اعلام خطر اضافه بار

علاوه بر موارد بالا می تواند مقادیر نامی توان، ولتاژ و جریان را نشان داده و اندازه گیری کند.

این واحد بسته به نوع آنها، حفاظت های مختلفی را انجام می دهند. انواع آن عبارتند از:

1. میکرولاجیک نوع A: شامل واحد آمپرمتر می باشد؛ که جریان RMS را اندازه گیری کرده و نشان می دهد.
2. میکرولاجیک نوع P: علاوه بر کارایی های نوع A، ولتاژ را نیز اندازه گرفته و در نتیجه برآورد دقیقی از توان می کند. پس حفاظت بیشتری را انجام می دهد.
3. میکرولاجیک نوع E: علاوه بر کارایی های نوع A، دیماند جریان، ولتاژهای فاز به فاز، فاز به نول، ولتاژ میانگین و نامتعادل، توان لحظه ای، ضریب توان، دیماند توان و انرژی را اندازه گیری می کند.
4. میکرولاجیک نوع H: این نوع از میکرو لاجیک نیز علاوه بر کارایی های نوع A، اندازه گیری پارامترهای هارمونیک منبع مانند هارمونیک های مزاحم، دامنه و فاز را انجام می دهد.

بر روی LCD دیجیتالی واحد میکرولوجیک، به طور پیوسته مقادیر پربارترین فازها و جریان های ماکزیمم نشان داده می شود. هم چنین روی برخی از میکرو لاجیک ها، یک واحد تست میکرولوجیک وجود دارد، که برای وصل دستگاه کنترلی به واحد میکرولاجیک برای کنترل آن از فاصله دورتر می باشد.

• رله شنت (Shunt Relay)

رله شنت تریپ، به رله دائم قطع معروف است، چون نباید دائما وصل باشد و فقط با پالس برقی به میزان 70 تا 110 درصد ولتاژ نامی کلید باید تحریک گردد و بعد از احساس این ولتاژ، عمل کرده و کلید را قطع می کند. فقط به صورت لحظه ای می توان آن را فرمان داد و اگر به طور دائم وصل باشد، هم سیم پیچ آن داغ شده و آسیب می بیند و هم در کارکرد سیستم موتوری برای کلید هوایی تداخل ایجاد می کند. این رله جهت کنترل تریپ مدار در اثر خطا و هم چنین فرمان دادن به کلید از راه دور استفاده می شود.

• بوبین قطع یا همان CC به معنای Close Release Coil

• بوبین وصل یا همان OC به معنای Opening Release Coil

• واحد UVT یا رله کاهش ولتاژ یا آندر ولتاژ (Under Voltage Trip Relay)

شرایط کارکرد این رله کاملا برعکس رله شنت است، یعنی هنگامی که برق دار نباشد، کار نمی کند و اگر ولتاژ دو سر آن از یک میزان مشخصی کمتر شود، فرمان قطع رله را صادر می کند. به آن رله دائم وصل نیز می گویند.

رله های افت ولتاژ در دو مدل UVR و UVRD ساخته می شوند. تفاوت این دو مدل در زمان قطع آنها می باشد. در مدل UVR به محض افت ولتاژ از حد مجاز، رله عمل کرده و کلید را قطع می کند؛ ولی در مدل UVRD این عمل با یک تاخیر زمانی انجام می شود.

• موتور (Motor)

موتور کلید هوایی، روی آن نصب می شود و وظیفه شارژ فنر کلید هوایی را به عهده دارد و ما می توانیم با استفاده از آن، از راه دور و بدون استفاده از دست فنر کلید را شارژ کنیم.

آنچه مسلم است این است که قیمت کلیدهای هوایی موتوردار از کلیدهای هوایی بدون موتور (با شارژ دستی) بالاتر است. هم چنین باید بدانیم که با نصب موتور، توانایی شارژ دستی نیز خواهیم داشت.

• شمارنده (Operating Cycle Counter)

اجزای کلید هوایی

1. ترمینال های نصب کنتاکت های کمکی
2. محل نمایش تجهیزات جانبی به کار رفته
3. دکمه کنترل بستن کنتاکت های کلید
4. علامت رنگی نشان دهنده قدرت قطع کلید
5. نمایشگر وضعیت فنر (شارژ و دشارژ)
6. اهرم شارژ کردن فنر
7. کلید قفل حالت کشویی
8. محل قرارگیری اهرم کشویی قابل قفل شدن
9. کلید کشویی
10. کلید قفل در حالت باز
11. دکمه کنترل باز کردن کنتاکت های کلید
12. واحد حفاظت میکرو لوجیک
13. دکمه ریست برای خطای تریپ
14. نمایشگر نشان دهنده وضعیت کنتاکت های اصلی (0 به معنای قطع و 1 به معنای وصل)
15. نمایشگر نشان دهنده وضعیت کلید

* عکس بالا به همراه جزئیات آن، مربوط به یک برند خاص می باشد و تمام موارد فوق ممکن است در تمام کلیدهای هوایی موجود نباشند.

نکات مهم در نصب کلید هوایی

• باید پیش از نصب کلید در محل خود، دفترچه راهنمای محصول با دقت مطالعه شود و به نکات اشاره شده در دفترچه قبل از نصب توجه شود.
• بعد از نصب کلید هوایی در محل خود و نصب شمش های ورودی و خروجی باید تنظیمات کلید هوایی به نحو صحیح انجام پذیرد.

برای تنظیم صحیح باید بتوان مشخصات نوشته شده بر روی کلید را به درستی تفسیر کرد. برای همین منظور در ادامه توضیحاتی را ارائه خواهیم کرد.

بر روی کلید های هوایی یا به صورت ولوم یا به صورت دیپ سوئیچ تنظیمات جریانی بر حسب زمان وجود دارد. یعنی تنظیم هر جریان منوط به تنظیم زمانی همان جریان می باشد. واحد مراقبت کلید های هوایی (میکرو لاجیک) پارامتر های LSIG را در برمی گیرد که 4 نوع جریانی می باشد. در برخی کلیدهای هوایی به صورت نمودار نیز مشخص شده است. پارامتر L (یا LONG TIME) دو بخش جریانی و زمانی دارد. جریان مربوط به L در واقع جریان نرمال کلید می باشد. مثلا اگر کلید هوایی 1600 آمپر تهیه کرده ایم و جریان نامی ما 1000 آمپر باشد، Ir را روی 1000 آمپر تنطیم می کنیم. دیپ سوئیچ یا ولوم تعبیه شده برای این بخش از 0.4 تا 1 را در بر می گیرد که مقدار تعیین شده در In (جریان نامی کلید) ضرب می شود (Ir*In).

اکنون باید زمان Tr که مربوط به جریان Ir است را تنظیم کنیم. این تنظیم به ما این را نشان می دهد که اگر جریانی بیشتر از 1000 آمپر به کلید اعمال شد، ظرف چه مدت زمانی کلید فرمان تریپ بدهد. پارامتر S (یا SHORT TIME) مربوط به جریان اتصال کوتاه است که شامل Isd و Tsd می شود. این دو نماد قابل تنظیم هستند و نشان می دهد طی چند صدم ثانیه یا دهم ثانیه کلید، جریان اتصال کوتاه را تحمل کند و به مدارات پایین دست اجازه دهد تا سیستم را قطع کنند سپس کلید هوایی جریان کلی را قطع کند. ولوم یا دیپ سوئیچ های این بخش در قسمت جریانی اعدادی بین 1.5 تا 10 دارد که در Ir ضرب می شود ( Isd * Ir ). پارامتر I هم مربوط به جریان لحظه ای است که بلافاصله مدار را قطع می کند و هیچ تاخیر زمانی ندارد و به صورت Ii مشخص شده و از 2 تا 15 برابر جریان نامی قابل تنظیم است. در نهایت برای حفاظت خطای زمین، Ig و Tg قرار داده شده است.

تنظیم Ig بر روی کلید هوایی به صورت ولوم یا دیپ سوئیچ هایی با حروف انگلیسی از حرف A تا حرف I مشخص شده و طبق جدول هر کلید قابل شناسایی است. طبق استاندارد، این مقدار در هیچ کلیدی بیشتر از 1200 آمپر نیست. زمان Tg هم از 0.1 تا 0.4 ثانیه قابل تنظیم می باشد.

کاربرد کلید هوایی

• حفاظت از ترانسفورماتورها، خازن ها، مولدها، ماشین های الکتریکی و غیره
• سوئیچینگ ورودی یا اصلی در تابلوهای توزیع فشار ضعیف
• اندازه گیری پارامترهای مختلف شبکه به طور مثال هارمونیک، ولتاژ، جریان و غیره
• ثبت تمامی خطاها و پارامترهای مهم و اعلام از طریق آلارم
• امکان نصب تجهیزات مختلف جانبی برای اجرای فرمان های مختلف از قبیل کنتاکت های کمکی و خطا،رله های شنت و آندر ولتاژ موتور و اینترلاک و غیره

ویژگی ها و الزامات کلید هوایی

طراحی کلیدهای هوایی باید به گونه ای باشد که موارد زیر در آنها رعایت شده باشد:

1. درجه حفاظت تابلو باید با درجه حفاظت كليد هم خواني داشته باشد.
2. كليدهاي قدرت فشار متوسط باید بر اساس استانداردهاي معتبر تولید و انتخاب گردند.
3. طراحی کلید هوایی باید به گونه ای باشد که دسترسي به آن در تابلو در هنگام سرويس و تعميرات به آساني مقدور باشد و نیز هنگام کلید زنی یا وارد کردن کلید به محفظه در تابلوهای کشویی و یا خارج کردن آن خطری اپراتور را تهدید نکند.
4. باید حداقل ايمني های لازم با استفاده از اينترلاك مناسب بين كليدها براي حفاظت اپراتور و تجهیزات تأمين گردد.
5. محفظه کلید فشار متوسط باید به قدری مقاوم طراحی شده باشد که اثرات دمایی ناشی از دمای محیط و کارکرد و اتصال کوتاه در روند کار تابلو خللی ایجاد نکند.

نحوه انتخاب کلید هوایی مناسب

در موقع خرید و انتخاب کلید هوایی، چندین پارامتر حائز اهمیت می باشند که عبارتند از:

1. جریان نامی کلید هوایی
2. قدرت قطع کلید هوایی
3. تعداد پل کلید هوایی (سه پل و یا چهار پل)
4. نوع واحد میکرو لوجیک نصب شده روی کلید
5. نوع شارژ فنر کلید (دستی یا اتوماتیک)