کلیدهای خودکار فشارضعیف (بخش دوم – انواع کلید‌های خودکار از نظر عملکرد)

کلیدهای خودکار به عنوان تجهیزات قطع و وصل و حفاظتی ، مهمترین بخش تأسیسات الکتریکی و خصوصاً تابلوهای برق به شمار رفته که در انواع گوناگون و همچنین در جریانهای متفاوتی در تأسیسات الکتریکی بکار می‌روند.

پس از بررسی ولتاژهای نامی ، جریان‌های نامی و قدرت قطع و وصل کلید‌های خودکار در بخش اول مقاله کلید‌های خودکار فشارضعیف ، به بررسی مقادیر دیگر کلید‌های خودکار می‌پردازیم :

۵- جريان کوتاه مدت قابل تحمل (Rated Short-Time Withstand Current-Icw):

یکی دیگر از پارامتر‌های کلیدهای خودکار که دارای اهمیت فراوانی می‌باشد ، قدرت تحمل جریان اتصال‌کوتاه می‌باشد (Icw) و مقدار جريان اتصال‌کوتاه می‌باشدکه کليد قادر است در شرايطي که کنتاکتهای آن بسته مي باشد ، در طول زمان مشخص از خود عبور دهد بدون اينکه کلید دچار مشکل يا خرابی گردد و یا حرارت بخش‌های مختلف آن از حد مجاز مندرج در استاندارد “IEC-947-2” فراتر نرود.

چرا تحمل اتصال‌کوتاه بجای قطع اتصال‌کوتاه :

با توجه به ضرورت قطع خطاهای اتصال‌کوتاه در زمان بسیار کوتاه ، به چه دلیل لازم است در کلید‌های خودکار بجای قطع فوری ، پارامتری در مورد تحمل اتصال‌کوتاه مطرح می‌گردد که بر قطع نشدن کلید و تحمل جریان اتصال‌کوتاه تأکید دارد؟
به عبارت ساده‌تر چرا کلید‌خودکار باید جریان اتصال‌کوتاه را تحمل‌کرده ولی قطع نکند؟

در شکل فوق ، کلید Q1 به عنوان کلید اصلی و کلید‌های Q2 و Q3 به عنوان کلید‌های فرعی از کلید Q1 تغذیه می‌کنند.
در صورتی که در فیدر Q2 یک اتصال‌کوتاه بوجود آید ، لازم است کلید Q2 قطع گردد و کلید Q1 بسته باقی‌ بماند چون کلید Q1 ، مدار منشعب از کلید Q3 را نیز تغذیه می‌کند و در صورت قطع کلید Q1 ، مدار سالم منشعب از کلید Q3 نیز قطع می‌گردد.
در این شرایط کلید Q1 تا باز‌شدن کلید Q2 ، اتصال‌کوتاه را تحمل می‌کند و قطع نمی‌گردد. به این حالت هماهنگی حفاظتی بین کلید‌های Q2 و Q1 می‌گویند (Selectivity)

استاندارد IEC-60947-2 بر این اساس کلید‌های خودکار فشارضعیف را به دو گروه تقسیم‌بندی می‌کند :

طبقه بندی “A” کليدهای خودکار:

اين کليدهای خودکار ، در اثر عبور جریان اتصال‌کوتاه به شکل آنی بدون تأخير زمانی ، باز می‌شوند و رنج زيادی از کليدهای خودکار محفظه بسته (MCCB) ، کلیدهای خودکار مخصوص موتورها و کلیدهای مینیاتوری ، در اين طبقه بندی قرار می گيرند و مطابق استاندارد “IEC-60947-2” ، انتظاری از این کلیدها در خصوص وجود هماهنگی حفاظتی با کلیدهای پس از خود ، وجود ندارد و در کلیدهای قرار گرفته به شکل سری ، کلیدهای انتهایی ، می توانند چنین مشخصاتی داشته باشند و اين نوع کليدها ، به علت عدم وجود تأخير زمانی در باز شدن کليد ، مقدار جريان ايستادگی کوتاه‌مدت کليد (Icw) ناچیزی داشته و در عمل چنین مشخصه ای در خصوص این نوع کلیدها ، دارای اهمیت نمی‌باشند.

طبقه بندی “B” کليدهای خودکار :

اين کليدهای خودکار ، کليدهاي سطح بالاتر در تأسيسات فشار ضعيف مي باشند که به عنوان مثال نقش کليد اصلی تابلوهای برق و به عبارتی دیگر ، کلیدهای بالاسری کلیدهای دیگر را بازی کرده  و هنگام بروز يک اتصال‌کوتاه در مدارات منشعب از کليدهای خودکار منشعب از آنها به منظور تأمين هماهنگی حفاظتی عمل ننموده تا کليدهای خودکار منشعب از خود ابتدا عمل نمايد.
اين کليد ها علاوه بر مشخصه قطع آنی در مواجهه با جريان اتصال‌کوتاه ، دارای يک مشخصه جريان زياد تأخيری نیز بوده که به منظور هماهنگی حفاظتی کليد با کليدهای سطح پايين تر شبکه بکار می‌رود در اين حالت با توجه به وجود تأخير در عملکرد رله مذکور ، کليد قادر است جريانهای اتصال‌کوتاه را تا مقدار مشخصی در زمان مشخص تحمل نموده تا در مدت زمانی مشخص قطع نمايند به اين شکل که هنگام وقوع يک اتصال‌کوتاه پس ازکليد فرعی ، با ايجاد يک تأخير زمانی اجازه می‌دهد که کليد فرعی منشعب از خود ابتدا قطع نمايد تا هماهنگی حفاظتی بين آنها حفظ گردد. در چنين شرايطی لازم است کليد اصلی بتواند در طول تأخير زمانی ايجاد شده مقدار جريان اتصال‌کوتاه ايجاد شده را تحمل نمايد بدون اين که کنتاکتهای آن صدمه ببيند.

میزان جریان تحمل کوتاه‌مدت اتصال‌کوتاه (Icw) در این کلید‌ها دارای اهمیت می‌باشد.

البته در صورت عمل نکردن کليدهای خودکار در سطوح پايين‌تر ، لازم است پس از زمان مشخصی کليد خودکار بالاتر به عنوان کليد خودکار پشتيبان قطع نمايد. لذا تحمل اتصال‌کوتاه کليدهای خودکار نصب شده در سطوح بالاتر در زمان مشخص در چنين شرايطی حائز اهميت می‌باشد.

شکل زیر منحنی يک کليد خودکار را با طبقه بندی “B” نمايش می دهد. معمولاً کليدهاي خودکار هوايی و همچنين برخي از کليدهای خودکار محفظه بسته (MCCB) با جريان‌های  بالا متعلق به گروه “B” مي باشند.

همانطوری که در شکل فوق مشاهده می کنید ، مشخصه جریان – زمان کلیدهای خودکار گروه “B” ، دارای سه بخش می‌باشد که مشخصه زرد رنگ ، مربوط به رله اضافه‌بار حرارتی می‌باشد که مطابق شکل ، می توان این بخش را به موازات محور افقی ، تغییر داد و به عبارت دیگر ، جریان نامی کلید را مطابق جریان فیدر ، تغییر داد و در بسیاری از کلیدهای خودکار دارای رله‌های حفاظتی میکروپروسسوری ، می توان جریان نامی کلید را در بازه گسترده‌ای مانند 40% جریان نامی کلید تا 100% تغییر داد.

مشخصه سبز رنگ ، مربوط به رله جریان زیاد تأخیری می‌باشد که مشخصه اضافی کلیدهای خودکار گروه “B” نسبت به کلیدهای خودکار گروه “A”می‌باشد. این مشخصه جدا از قابلیت تغییر جریان عملکرد رله ، از نظر زمان عملکرد نیز قابل تغییر می‌باشد که مشخصه مهم در عملکرد انتخابی کلیدهای خودکار می‌باشد.

مشخصه قرمز رنگ ، مشخصه اتصال‌کوتاه آنی و بدون تأخیر بوده که به ازاء جریانی که قابل تنظیم می‌باشد ، کلید در کوتاه ترین زمان ممکن باز شده و خطای اتصال‌کوتاه را پاکسازی می‌کند .
مقدار جریان اتصال‌کوتاه ایستادگی کوتاه مدت در خصوص این نوع کلیدها دارای اهمیت می‌باشد زیرا از این کلیدها انتظار هماهنگی حفاظتی با کلیدهای پس از آنها وجود داشته و لازم است هنگام بروز اتصال‌کوتاه در مدارات خروجی کلیدهای فرعی که از این کلیدها تغذیه می کنند ، این کلیدها باز نشده و جریان اتصال‌کوتاه را تا عملکرد کلید فرعی تحمل نمایند.

طبق استاندارد IEC-60947-2 ، کليد خودکاری می تواند در طبقه بندی B قرار گيرد که شرايط مندرج در جدول زیر را داشته باشند :

جریان اتصال‌کوتاه ایستادگی کوتاه مدت از نظر قابلیت کلیدها از این نظر حائز اهمیت می‌باشد این است که کلیدهایی که به شکل سری قرار گرفته اند ، کلید بالادستی لازم است قدرت تحمل جریان اتصال‌کوتاه را هنگام بروز اتصال‌کوتاه در مدار منشعب از کلید پایین دستی تا عملکرد آن کلید داشته باشند و در عمل کلیدهایی که دارای قدرت تحمل جریان اتصال‌کوتاه کوتاه مدت بیشتری باشند ، کلیدهایی با قدرت عملکرد انتخابی بهتری می‌باشند (Selective) و در این مورد در بخش هماهنگی حفاظتی صحبت به عمل خواهد آمد.

اثرات حرارت محيط بر عملکرد کليد های خودکار (Temperature De-rating)

يکی از مهمترين مواردی که لازم است هنگام انتخاب و استفاده از کليدهای خودکار به آن توجه نمود ، تأثير حرارت محيط بر مشخصات کليدهای خودکار می‌باشد زيرا ميزان جريان دهی کليدهای خودکار با افزايش حرارت محيط کاهش پيدا می‌کند و همچنين هنگامی که درجه حرارت محيطی که در آن کليد خودکار نصب شده است ، تغيير نمايد ، مشخصات کليد های خودکار نيز تغيير خواهند کرد که البته اين تأثير به نوع مکانيزم و تکنولوژی بکار رفته در رله حفاظتی کليد وابسته می‌باشد.

مطابق استاندارد IEC-60947-1 بخش هنگامی که درجه حرارت محيطی که در آن کليد نصب می‌باشد از 40 درجه سانتی گراد فراتر رود ، نياز به تصحيح جريان نامی کليد‌ها مطابق جداول تصحيح جريان نسبت به حرارت می‌باشد (De-Rating Factors) اين جداول توسط تمامی سازندگان کليد‌ها ارائه می‌گردد.

مطابق استاندارد IEC-60947-2 حداکثر حرارت مجاز برای کليد های خودکار مطابق جدول زير عنوان شده است و اين مقادير برای رنج حرارتی مرجع تا حداکثر 40 درجه سانتی گراد معتبر است:

لازم به ذکر می‌باشد که در تابلوهای برق که محفظه های بسته می‌باشند ، مقدار حرارت اطراف کليدهای خودکار مقدار حرارتی است که توسط کليه تجهيزات داخل تابلو مانند شينه ها و ساير تجهيزات توليد می‌گردد و اين مقدار با حرارت محيط اطراف تابلو متفاوت است و تابلوهای برق بسته به نوع ساخت آنها و درجه حفاظتی شان (IP) ضرايب تصحيح حرارتی متفاوتی ارائه می دهند که با توجه به توصيه شرکت سازنده لازم است از آنها در جهت انتخاب کليد خودکار بهره جست.

اثرات ارتفاع از سطح دريا بر مشخصات فنی کليد های خودکار :

هنگامی که ارتفاع نصب يک کليد خودکار از سطح دريا از سطح معينی بيشتر گردد ، مشخصات الکتريکی کليد‌های خودکار دچار تغييراتی می‌گردد که عمدتا به علل زير می‌باشد :

• کاهش غلظت هوا که در ارتفاعات بالا می‌باشد اثرات تبادل حرارتی را کاهش داده و اين موضوع باعث کاهش نسبی ظرفيت جريا‌ن‌دهی تجهيز می‌گردد.
• کاهش غلظت هوا باعث ايجاد کاهش در ميزان ظرفيت عايقی کليد نیز می‌گردد که بروی فواصل عایقی مستقیم کلید (Clearance)تأثیر می‌گذارد و کليد‌های خودکار برای کار عادی تا ارتفاع 2000 متر از سطح دريا طراحی و ساخته می‌گردند و هنگامی که آنها در ارتفاع بیش از ۲۰۰۰ متر مورد استفاده قرار گیرند لازم است به جداول توصیه‌شده توسط سازندگان در مورد عایق‌بندی آنها استناد‌ کرد.

ساختمان کليدهای خودکار :

کلیدهای خودکار از نظر ساختار دارای انواع مختلفی می‌باشند که ساختار هر یک از آنها منحصر به فرد می‌باشد ولی به صورت کلی ، کلیدهای خودکار دارای بخش های اصلی زیر می‌باشند.

الف) پوشش کلید

ب)  کنتاکتهای کلید

ج) سیستم خاموش کنندگی جرقه

د) مکانیزم عملکرد کلید

ه) رله حفاظتی کلید

الف) پوشش کليدهای خودکار :

پوشش کليدهای خودکار در حقيقت وظيفه حفاظت عايقی تجهيزات الکتريکی داخل کليد خودکار را عهده‌دار می‌باشد و با توجه به نوع کليدهای خودکار اين پوشش متفاوت می‌باشد در شکل زیر پوشش کلید‌های خودکار از نوع محفظه بسته (MCCB) مشاهده می‌گردد.

ب) کنتاکهای کليدهای خودکار:

کنتاکتهای کليدهای خودکار شامل کنتاکتهای ثابت و متحرک می‌باشند که وظيفه آنها قطع و وصل می‌باشند و بواسطه دريافت فرمان قطع ، کنتاکتهای کليدهای خودکار بسرعت از طريق يک مکانيزم فنر از همديگر جدا شده و قوس الکتريکی ايجاد شده نيز توسط جرقه گيرها خاموش می‌گردد.

ج) جرقه گير کليدهای خودکار :

باتوجه به اين موضوع که کنتاکتهای کليدهای خودکار در هوای آزاد از همديگر جدا می‌گردند و هنگام جدا شدن قوس الکتريکی بوجود می آيد و معمولاً توسط جرقه گير ها که از چندين صفحه تشکيل می‌گردند و کنتاکتها و محل قوس الکتريکی را در بر می‌گيرد و هنگام بروز قوس‌الکتريکی ناشی از قطع جريان ، قوس الکتريکی به بخشهای کوچکتر تقسيم شده و خنک می‌گردد. معمولاً به علت نيروی مغناطيسی بوجود آمده ناشی از عبور جريان و همچنين حرارت ايجاد شده ، قوس الکتريکی به شکل خودکار به سمت جرقه گير هدايت می‌گردد.
در حقيقت خاصيت محدود کنندگی جريان کليدهای خودکار به صورت قابل ملاحظه‌ای به سيستم قطع و خاموش‌کنندگی جرقه کليدها بستگی دارد و سازندگان کليدهای خودکار در اين راستا تکنولوژی های منحصر به خود دارند.

د) مکانيزم عملکرد کليد:

مکانيزم عملکرد کليد های خودکار با توجه به نوع کليدها متنوع می‌باشد ولی اساس کليد های خودکار بر اين اساس است که با اعمال فرمان وصل به کليدها ، لازم است کنتاکتهای ثابت و متحرک با سرعت و قدرت حداکثر با هم تماس حاصل نمايند و در مقابل ، پس از دريافت فرمان قطع ، کنتاکتهای مذکور به سرعت از همديگر جدا می‌گردند که قدرت و سرعت مورد نياز برای قطع و وصل کنتاکتهای کليدهای خودکار از طريق يک فنر تأمين می‌گردد و با توجه به ساختمان کليدهای خودکار و همچنين جريان نامی و قدرت قطع کليدهای خودکار مقدار نيروی مورد نياز متفاوت بوده و در نتيجه نوع فنر بکار رفته در اين راستا متفاوت خواهد بود.

ه) بخش حفاظتی کليدهای خودکار

یکی از بخش های اصلی کلیدهای خودکار ، بخش حفاظتی آن می‌باشد چون وظیفه حفاظت تأسیسات الکتریکی و جدا کردن بخش‌های دارای خطا ، وظیفه اصلی کلیدهای خودکار می‌باشد.
همانطوری که عنوان شد ، کليد خودکار لازم است هنگام بروز خطا يا يک عيب ، به سرعت خطا را تشخيص داده و در حداقل زمان باز شده و بخش دارای خطا را از شبکه جدا کند.

اکثر کلیدهای خودکار به غیر از کلیدهای خودکار هوایی و برخی از کلیدهای خودکار محفظه بسته ، دارای رله حفاظتی حرارتی – مغناطیسی می‌باشند که بخش حرارتی ، وظیفه حفاظت در مقابل اضافه‌بار و بخش مغناطیسی جهت حفاظت در مقابل اتصال‌کوتاه بکار می‌رود.

کليدهای خودکار مجهز به رله های حفاظتي از نوع حرارتی – مغناطيسی دارای ساختمان ساده ای می‌باشند. در اين کليدها ، حفاظت در مقابل اضافه‌بار از طريق يک سيستم بی متالی ساده (دو فلزی) تأمين می‌گردد به این شکل که با عبور جریان اضافه از بخش حرارتی ، حرارت اضافی ایجاد شده باعث خم‌شدن قطعه دو فلزی (بی متال) می‌گردند که این خم شدن به بخش رها ساز کلید برخورد کرده و سبب باز شدن کلید می‌گردد.
حفاظت در مقابل اتصال‌کوتاه نيز از طريق نيروی حاصله از عبور جريان زياد از يک بوبين الکترومغناطيسی تأمين شده که سبب قطع کليد می‌شود.

بخش حرارتی کليد شامل يک المان حرارتی می‌باشد که از دو فلز غير همنام تشکيل می‌گردد که ضرايب انبساط آنها با يکديگر متفاوت می‌باشند و با عبور جريان نامی فراتر از مقدار جريان نامی کليد حرارت آنها بالا می‌رود وهر يک دچار انبساط می‌گردد و به علت متفاوت بودن ميزان انبساط آنها و همچنين به علت اين که آنها از نظر مکانيکی به همديگر اتصال دارند ، دچار خمش می‌گردند و پس از خم شدن آنها ، فرمان به رهاساز کليد داده می‌گردد و کليد باز می‌گردد. طبيعی می‌باشد که زمان خم شدن المان حرارتی مذکور به ميزان حرارت و جريان عبوری خواهد داشت به اين معنی که با افزايش مقدار جريان حرارت عبوری بيشتر بوده و زمان قطع سريعتر خواهد بود.

بخش مغناطيسی بر اساس ایجاد نیروی مکانیکی توسط الکترومغناطیس عمل می‌کند . این بخش در حقیقت یک سیم پیچ می‌باشد که با مدار به شکل سری قرار گرفته است و مجهز به یک هسته متحرک می‌باشد و در صورتی که میزان جریان به حد تنظیمی اتصال‌کوتاه کلید برسد ، هسته متحرک توسط سیم‌پیچ تغییر وضعیت داده و به رها ساز کليد برخورد می‌کند و سبب قطع کليد می‌گردد.

در شکل زیر مشخصه جریان – زمان یک کلید خوکار را از نوع حرارتی – مغناطیسی مشاهده می‌کنید

برخی دیگر از کلیدهای خودکار مانند کلیدهای خودکار هوایی و برخی از کلیدهای خودکار محفظه بسته ، مجهز به رله‌های حفاظتی از نوع الکترونیکی و میکرو پروسسوری می‌باشند که در این نوع کلیدها ، از جریانهای عبوری توسط ترانسفورمرهای جریان نمونه برداری می‌گردد و به رله حفاظتی میکروپروسسوری کلید اعمال می‌گردد و در سيستم ميکروپروسسوری با توجه به مقادير تنظيم شده و مشخصه های جریان – زمان کلید ، مورد ارزيابی قرار می گيرد و در صورت فراتر رفتن از مقادير تعيين شده فرمان قطع به کليدها از طريق يک بوبين مخصوص که توسط سيستم ميکروپروسسوری فعال می‌گردد به کليد اعمال می‌گردد
در شکل زیر یک کلیدخودکار مجهز به رله حفاظتی الکترونیکی مشخص‌شده است.

در بخش بعدی این مقاله به مباحث پیشرفته‌تر در مورد کلیدهای خودکار و نحوه انتخاب آنها خواهیم پرداخت

این مقاله برای استفاده افراد علاقه‌مند به تابلوهای برق و فراگیری فنون مربوط به آن تهیه شده است و متعلق به سایت طراحی کاربردی تابلوهای برق بوده و استفاده از آنها در سایت‌های دیگر مجاز نمی‌باشد.