انواع کلیدهای قدرت

انواع کلیدهای قدرت! صنعت تولید کلیدهای قدرت با ارزشی بالغ بر 3.4 میلیارد دلار، بازاری قابل توجه محسوب می شود. طبق گزارش اخیر موسسه معتبر بین المللی اطلاعات کسب و کار، IBIS World) ) درک انواع مختلف کلیدهای قدرت، به ویژه برای افرادی که از پیشینه تخصصی در حوزه برق برخوردار نیستند، می تواند امری چالش برانگیز باشد. این مقاله به منظور آشنایی شما با انواع کلیدهای قدرت، از مصارف خانگی تا کاربردهای صنعتی، تدوین شده است.

کلید قدرت، جزء الکتریکی است که به صورت دستی یا خودکار عمل کرده و جریان برق را در یک مدار کنترل می نماید. بهره گیری از کلید قدرت در تمامی ساختمان های دارای تاسیسات برقی الزامی است. در سناریوهای بحرانی، کلید قدرت می تواند از جان پرسنل، تجهیزات و کل بنا در برابر خطرات ناشی از شوک الکتریکی، آتش سوزی ناشی از برق و برق گرفتگی محافظت کند.

کلیدهای قدرت با قطع جریان در زمان افزایش ناگهانی ولتاژ، اضافه بار و اتصال کوتاه، از افراد و تجهیزات الکتریکی حفاظت به عمل می آورند. این مقاله، راهنمای جامعی برای شناخت انواع مختلف کلیدهای قدرت به شمار می رود.

طبقه بندی کلیدهای قدرت

طبقه بندی کلیدهای قدرت بر اساس معیارهای گوناگونی صورت می پذیرد. معیارهای اصلی مورد استفاده برای طبقه بندی کلیدهای قدرت مدار عبارتند از:

• ولتاژ
• مکانیزم قطع
• محل نصب
• ویژگی ها یا طراحی

این موارد، متداول ترین دسته بندی های کلیدهای قدرت هستند که با آن‌ها مواجه خواهید شد. برای درک بهتر هر طبقه بندی، شرحی بر انواع کلیدهای قدرت در بخش بعدی ارائه می گردد.

انواع کلیدهای قدرت بر اساس سطح ولتاژ

کلیدهای قدرت (بریکرها) بر اساس حداکثر ولتاژ قابل تحملشان طبقه بندی می شوند. میزان جریان قابل عبور از کلید، نوع آن را تعیین می کند. به طور کلی، بریکرها به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

• کلید قدرت فشارقوی (High-Voltage Circuit Breaker) : ولتاژ بالاتر از 36 کیلوولت در محدوده فشارقوی قرار می گیرد. این کلیدها در تاسیسات معمولی یافت نمی شوند و از سلونوئیدهایی بهره می برند که توسط ترانسفورماتور جریان و رله های حفاظتی کنترل می شوند.

کاربرد اصلی کلیدهای فشار قوی در سیستم های انتقال نیرو با ولتاژ بسیار بالا است. این کلیدها علی رغم پیچیدگی، قابلیت فوق العاده ای در محدود کردن اضافه جریان دارند. برای خاموش کردن قوس الکتریکی، از روش های مختلفی مانند روغن، هوای فشرده، دی اکسید کربن یا خلا استفاده می شود. در حال حاضر، هگزا فلوئورید گوگرد به دلیل سازگاری با محیط زیست، محبوبیت بیشتری یافته است.

• کلید حفاظت فدرت فشار متوسط (Medium-Voltage Circuit Breaker): این کلیدها برای مدیریت ولتاژ بین 1000 تا 36000 ولت طراحی شده اند و قابلیت نصب در محیط های داخلی و خارجی را دارند. از وظایف اصلی آنها، پایش ولتاژهای متوسط و استفاده از رله های حفاظتی برای شناسایی هرگونه ناهنجاری خطرناک است.
• کلید حفاظت قدرت (Low-Voltage Circuit Breaker):  کلیدهایی که معمولاً در محیط های کاری مشاهده می کنید، به احتمال زیاد از نوع فشار ضعیف هستند. این کلیدها همان مدل های ابتدایی به کار رفته در منازل بوده و در فروشگاه های ابزار نیز یافت می شوند.

برخی از کلیدهای فشار ضعیف قابلیت تعمیر و جداسازی قطعات دارند. در صورت بروز آسیب، امکان تعمیر کلید به جای تعویض آن وجود دارد. انواع مختلفی از کلیدهای فشار ضعیف موجود است که از آن جمله می توان به کلیدهای مینیاتوری (MCB) برای مدیریت جریان زیر 100 آمپر اشاره کرد. این کلیدها کاربرد گسترده ای در مدارهایی با جریان پایین دارند. در صورت نیاز به مدیریت جریان بالاتر از 100 آمپر، کلید اتوماتیک کمپکت (MCCB) گزینه مناسب تری به شمار می رود.

انواع کلیدهای MCB بر اساس استانداردهای Underwriters Laboratories (UL)

استاندارد Underwriters Laboratories (UL) که به اختصار UL شناخته می شود، یک سازمان علوم ایمنی در ایالات متحده است که برای ایمنی محصولات الکتریکی استانداردهایی را تعیین می کند. در حوزه کلیدهای اتوماتیک مینیاتوری (MCB)، دو استاندارد رایج UL 489 و UL 1077 وجود دارد:

کلید حفاظت از مدار UL 489

کلیدهای حفاظت از مدار UL 489 برای نصب در محفظه کلید یا به عنوان بخشی از سایر تجهیزات توزیع و کنترل برق مانند تابلوی برق اصلی و تابلوی توزیع کننده طراحی شده اند. بر اساس آیین نامه ملی برق آمریکا (National Electrical Code – NEC)، استفاده از این کلیدها در طراحی تابلوهای برق الزامی است.

محافظ های کمکی UL 1077

استاندارد UL 1077 محافظ های کمکی را به عنوان تجهیزاتی تعریف می کند که برای حفاظت در برابر اضافه جریان، اضافه ولتاژ یا افت ولتاژ در داخل یک وسیله یا تجهیزات الکتریکی دیگر در نظر گرفته شده اند. این تجهیزات در مدارهایی کاربرد دارند که از قبل حفاظت اضافه ولتاژ در سطح مدار اصلی تامین شده است یا نیازی به آن وجود ندارد.

نکته : اگرچه اصطلاح “کلید قدرت” (Circuit Breaker) برای توصیف هر دو نوع دستگاه UL 489 و UL 1077 به کار می رود، اما تجهیزات UL 1077 بر اساس استاندارد UL به عنوان کلید حفاظت از مدار شناخته نمی شوند و با عنوان “محافظ های کمکی” دسته بندی می گردند.

کلید اتوماتیک کمپکت (Molded-Case Circuit Breaker – MCCB):

کلیدهای اتوماتیک کمپکت (MCCB) برای تحمل جریان های بالاتر تا 1600 آمپر طراحی شده اند و گزینه ای ایده آل برای مصارف تجاری و مسکونی با توان بالا به شمار می روند.

مکانیزم قطع جریان در کلیدهای قدرت

مکانیزم قطع جریان روشی است که کلیدهای قدرت برای قطع ایمن جریان برق از آن استفاده می کنند. انواع مختلف کلیدها از مکانیزم های متفاوتی بهره می برند. چهار نوع اصلی مکانیزم قطع جریان عبارتند از:

• کلید هوای فشرده (Air Circuit Breaker – ACB)  
• کلید روغنی (Oil Circuit Breaker – OCB)
• کلید هگزا فلوئورید گوگرد (Sulfur Hexafluoride Circuit Breaker – SF6)
• کلید خلا (Vacuum Circuit Breaker – VCB)

هر یک از این روش ها هنگام خاموش کردن قوس الکتریکی مزایای خاص خود را دارا هستند.

کلید هوای فشرده (ACB)

در این نوع کلید، هوا به عنوان عایق و خاموش کننده اصلی قوس الکتریکی عمل می کند. کلیدهای هوای فشرده به دو دسته کلیدهای دمنده هوا (Air Blast) و کلیدهای مغناطیسی هوا (Air Magnetic) تقسیم می شوند. در کلیدهای دمنده هوا، قطع جریان با استفاده از هوای ساکن که قوس الکتریکی در آن حرکت می کند، آغاز می شود. در کلیدهای مغناطیسی، از میدان مغناطیسی به عنوان محیطی برای خاموش کردن قوس استفاده می گردد.

کلیدهای هوای فشرده دیگری نیز وجود دارند که از نیروی هوای فشرده شده که در نازل ها ذخیره شده است، برای خاموش کردن قوس الکتریکی استفاده می کنند. این هوای فشرده با باز شدن دریچه ها با سرعت بالا خارج شده و قوس را خاموش می کند.

کلیدهای قدرت روغنی (Oil Circuit Breaker – OCB)

روغن معدنی به دلیل خواص عایق بندی عالی، ماده ای ترجیحی برای خاموش کردن قوس الکتریکی در کلیدهای قدرت روغنی به شمار می رود. در این نوع کلید، هر دو کنتاکت ثابت و متحرک درون محفظه ای پر از روغن معدنی قرار گرفته اند.

هنگام قطع جریان، قوس الکتریکی در محل جداسازی کنتاکت ها ایجاد می شود. این قوس درون روغن تجزیه شده و به گاز هیدروژن تبدیل می گردد. گاز هیدروژن حاصله در نهایت حبابی ایجاد می کند که با فشرده شدن، از برقراری مجدد قوس در زمان عبور جریان از صفر جلوگیری می کند.

کلیدهای قدرت روغنی، قدیمی ترین نوع کلیدهای حفاظت از مدار شناخته شده هستند. این کلیدها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

• کلیدهای کم روغن (Minimum Oil Circuit Breaker): در این نوع کلید، از روغن به عنوان محیط خاموش کننده قوس استفاده می شود. به دلیل وجود عایق دیگری بین کنتاکت های حامل جریان و بدنه کلید، مقدار روغن مصرفی در این نوع به حداقل می رسد.

• کلیدهای روغن حجیم : (Tank Circuit Breaker) در این کلیدها، از روغن به طور همزمان برای عایق بندی و خاموش کردن قوس الکتریکی استفاده می شود. هنگامی که کنتاکت های حامل جریان از هم جدا می شوند، قوس الکتریکی بین آنها ایجاد می گردد. این قوس باعث ایجاد حباب سریع گاز در اطراف خود شده و در نتیجه کنتاکت ها را از هم دور می کند.

تقسیم بندی دیگری از کلیدهای قدرت روغنی بر اساس ساختار آنها صورت می پذیرد. این دسته بندی شامل دو نوع کلید می باشد:

• کلیدهای تانکر زنده  (Live Tank Circuit Breaker): در ایالات متحده، استفاده از این نوع کلید رواج بیشتری دارد. در این کلید، مخزن حاوی روغن و محیط خاموش کننده قوس در پایین و نزدیک زمین قرار گرفته است.
• کلیدهای تانکر مرده  : (Dead Tank Circuit Breaker)  در این نوع کلید، مخزن حاوی روغن عایق در بالای بدنه کلید قرار دارد. مدل تانکر مرده به دلیل نزدیکی به زمین، از مقاومت بیشتری در برابر زلزله برخوردار است.

در کلیدهای تانکر زنده، محفظه ای که کنتاکت ها را در بر می گیرد، دارای بار الکتریکی (زنده) است. برعکس، در کلیدهای تانکر مرده، محفظه کنتاکت ها فاقد بار الکتریکی بوده و به شبکه زمین متصل می باشد. کلیدهای تانکر زنده از ابعاد کوچکتر و قیمت پایین تری نسبت به کلیدهای تانکر مرده برخوردار هستند.

با این حال، تنها تفاوت این دو مدل نحوه قرارگیری مخزن روغن است و مکانیزم قطع جریان در هر دو نوع یکسان می باشد. در بخش های بعدی به بررسی کلیدهای گازی (SF6) و کلیدهای خلا خواهیم پرداخت.

کلیدهای قدرت گازی هگزا فلوئورید گوگرد (SF6)

کلیدهای قدرت گازی هگزا فلوئورید گوگرد (SF6) از گاز SF6 به عنوان محیط خاموش کننده قوس الکتریکی بهره می گیرند. این گاز به دلیل خاصیت خاموش کنندگی فوق العاده، جایگزین مناسبی برای روغن و هوا در کلیدهای قدرت به شمار می رود و مورد توجه بسیاری از تولیدکنندگان قرار گرفته است.

گاز SF6 به علت دارا بودن الکترونگاتیویته بالا، عایق بندی بسیار مؤثری را فراهم می سازد. قدرت عایق بندی این گاز تقریبا دو برابر هوا است و برای سیستم های انتقال و توزیع برق فشار متوسط تا فشار قوی گزینه ای ایده آل محسوب می شود.

از مهم ترین مزایای کلیدهای قدرت گازی SF6 می توان به برتری آن ها در زمینه خاموش کردن قوس الکتریکی، عایق بندی و برخورداری از سایر ویژگی های منحصر به فرد اشاره کرد.

کلیدهای قدرت خلا (Vacuum Circuit Breaker – VCB)

در کلیدهای قدرت خلا، از خلا به عنوان محیط خاموش کننده قوس الکتریکی استفاده می شود. ماهیت خلا، بازیابی سریع خواص دی الکتریک را به دنبال دارد که امکان قطع جریان عالی را به خصوص در هنگام عبور جریان با فرکانس بالا فراهم می کند. مکانیزم قطع جریان در این کلیدها از الکترودهایی استفاده می کند که در حالت عادی بسته باقی می مانند.

با تشخیص خطا در سیستم، فرمان قطع (تریپ) فعال شده و باعث باز شدن کنتاکت ها می گردد. در زمان باز شدن الکترودها، به دلیل پدیده یونیزه شدن کنتاکت ها، قوسی ایجاد می شود. این قوس به سرعت خاموش می شود زیرا الکترون ها و یون ها بر روی سطح الکترودها متراکم می شوند. این فرآیند منجر به بازیابی استحکام دی الکتریک می گردد.

انتخاب کلید حفاظت از مدار مناسب در محیط کاری

در محیط کاری، ممکن است در شرایطی نیاز به خرید یا تعویض کلید قدرت داشته باشید. این راهنما معیارهای کلیدی برای انتخاب مناسب ترین کلید را در اختیار شما قرار می دهد تا با اطمینان خاطر، بهترین گزینه را برای کاربرد مورد نظر خود برگزینید.

۱. ولتاژ نامی (Voltage Rating)

یکی از مهمترین فاکتورها در انتخاب نوع کلید قدرت، توجه به ولتاژ کل سیستم الکتریکی است. ولتاژ نامی کلید بر اساس بالاترین ولتاژ قابل اعمال در تمامی نقاط انتهایی سیستم، محاسبه می گردد. توزیع ولتاژ و نحوه اتصال کلید به سایر اجزای مدار نیز در محاسبه نهایی ولتاژ دخیل هستند. کلید قدرت انتخابی باید از ظرفیت ولتاژ کافی برای تأمین ایمن و مطمئن نیازهای کاربرد نهایی برخوردار باشد.

۲. جریان نامی (Current Rating)

جریان عملیاتی یا مقدار آمپراژ، عامل کلیدی دیگری است که در انتخاب کلید قدرت باید مورد توجه قرار گیرد. به طور ایده‌آل، کلید باید قابلیت عملکرد در ۱۰۰% بار مورد نیاز را داشته باشد. با این حال، انتخاب کلیدی با ظرفیت جریان نامی تقریباً ۱۲۰% جریان مورد نیاز، توصیه‌ای ایمن و کاربردی تلقی می‌گردد. این ظرفیت بالاتر به جبران اثرات ناشی از تولید گرما در سیستم برق کمک کرده و موجب عملکرد پایدار کلید در بلندمدت می‌شود. جریان نامی کلید، حداکثر جریانی است که می‌تواند به طور مداوم در دمای محیط (معادل ۴۰ درجه سانتیگراد) تحمل نماید. (تمامی اطلاعات مربوط به چرخه باردهی از استاندارد ملی برق آمریکا (National Electrical Code) استخراج شده است.)

۳. منحنی قطع (Trip Curve)

انتخاب منحنی قطع مناسب، یکی از مراحل کلیدی در فرآیند گزینش کلید حفاظت از مدار به شمار می رود. منحنی قطع، نشان دهنده رفتار کلید در پاسخ به اضافه جریان های مختلف است. در بخش بعدی به بررسی انواع منحنی قطع و انتخاب مناسب برای هر کاربرد خواهیم پرداخت.

انتخاب کلید حفاظت از مدار مناسب برای محیط کاری

در محیط کاری شما، ممکن است نیاز به خرید یا تعویض کلید حفاظت از مدار (کلید اتومات) پیش آید. این راهنما معیارهای کلیدی برای انتخاب مناسب ترین کلید را در اختیار شما قرار می دهد تا با اطمینان خاطر، بهترین گزینه را برای کاربرد مورد نظر خود برگزینید.

۱. ولتاژ نامی (Voltage Rating)

یکی از مهمترین فاکتورها در انتخاب نوع کلید حفاظت از مدار، توجه به ولتاژ نامی کل سیستم الکتریکی است. این ولتاژ بر اساس بالاترین ولتاژ قابل اعمال در تمامی نقاط انتهایی سیستم، محاسبه می گردد. توزیع ولتاژ و نحوه اتصال کلید به سایر اجزای مدار نیز در محاسبه نهایی ولتاژ دخیل هستند. کلید حفاظت از مدار انتخابی باید از ظرفیت ولتاژ کافی برای تأمین ایمن و مطمئن نیازهای کاربرد نهایی برخوردار باشد.

۲. جریان نامی (Current Rating)

جریان نامی یا مقدار آمپراژ، عامل کلیدی دیگری است که در انتخاب کلید حفاظت از مدار باید مورد توجه قرار گیرد. به طور ایده‌آل، کلید باید قابلیت عملکرد در ۱۰۰% بار مورد نیاز را داشته باشد. با این حال، انتخاب کلیدی با ظرفیت جریان نامی تقریباً ۱۲۰% جریان مورد نیاز، توصیه‌ای ایمن و کاربردی تلقی می‌گردد. این ظرفیت بالاتر به جبران اثرات ناشی از تولید گرما در سیستم برق کمک کرده و موجب عملکرد پایدار کلید در بلندمدت می‌شود. جریان نامی کلید، حداکثر جریانی است که می‌تواند به طور مداوم در دمای محیط (معادل ۴۰ درجه سانتیگراد) تحمل نماید. (تمامی اطلاعات مربوط به چرخه باردهی از استاندارد ملی برق آمریکا (National Electrical Code) استخراج شده است.)

۳. منحنی قطع (Trip Curve)

انتخاب منحنی قطع مناسب، یکی از مراحل کلیدی در فرآیند گزینش کلید قدرت به شمار می رود. منحنی قطع، نشان دهنده رفتار کلید در پاسخ به اضافه جریان های مختلف است. در بخش بعدی به بررسی انواع منحنی قطع و انتخاب مناسب برای هر کاربرد خواهیم پرداخت.

منحنی قطع چیست؟

منحنی قطع، که همچنین با عنوان منحنی زمان-جریان شناخته می‌شود، نمایش گرافیکی رفتار مورد انتظار یک کلید حفاظتی مدار است. این نمودار به صورت تخصصی، زمان قطع تجهیزات حفاظت اضافه جریان را بر اساس مقدار جریان اندازه‌گیری شده نشان می‌دهد. منحنی‌های قطع توسط سازندگان کلیدهای حفاظتی ارائه می‌گردند تا به کاربران در انتخاب مناسب‌ترین کلید بر اساس نیازهای حفاظتی مدار و عملکرد بهینه تجهیزات، با جلوگیری از قطع غیرضروری (کلیدزنی مزاحم)، یاری رساند.

حداکثر جریان قطع (توان قطع): حداکثر جریانی که کلید قادر به قطع ایمن آن است، با عنوان حداکثر جریان قطع یا توان قطع شناخته می‌شود. تعیین دقیق حداکثر جریان قطع سیستم قدرت، امری حیاتی است. هنگام انتخاب کلید حفاظتی، ظرفیت قطع کلید باید همواره مساوی یا بیشتر از جریان خطای احتمالی در مدار باشد.

ظرفیت قطع پایین‌تر از جریان خطا می‌تواند منجر به آسیب رسیدن به کلید حفاظتی شود. لذا، رعایت این اصل کلیدی در انتخاب هر کلید حفاظتی ضروری است.

شرایط عملیاتی کلید حفاظتی: انتخاب کلید حفاظتی مناسب، مستلزم در نظر گرفتن محل نصب و شرایط عملیاتی آن می‌باشد. برخی از محیط‌های کاری می‌توانند شرایط کاری سخت و طاقت‌فرسایی را برای کلیدهای حفاظتی ایجاد نمایند. لذا، هنگام انتخاب کلید مناسب، باید شرایط محیطی ذیل را مدنظر قرار داد:

دمای محیط:

دمای محیط بالاتر از 40 درجه سانتیگراد (104 درجه فارنهایت) نیازمند کالیبراسیون مجدد است. دماهای محیط بالا می‌تواند عملکرد کلید حفاظتی را تحت تاثیر قرار دهد. از آنجایی که اکثر محفظه‌های کلید در حدود 40 درجه سانتیگراد (104 درجه فارنهایت) قرار دارند، این دما به عنوان استاندارد کالیبراسیون برای تقریبا تمامی کلیدهای حفاظتی داخلی در نظر گرفته می‌شود.

هر دمایی پایین‌تر یا بالاتر از 40 درجه سانتیگراد (104 درجه فارنهایت) ممکن است نیازمند کالیبراسیون مجدد به سمت بالا یا پایین باشد.

ارتفاع:

کلیدهای حفاظتی مختلف برای ارتفاعات متفاوت مناسب هستند. برای مثال، در ارتفاعات بالای 1828 متر (6000 فوت) هوا رقیق‌تر است و گرما را به خوبی از اجزای حامل جریان دور نمی‌کند. این به این معنی است که کلید باید از نظر ولتاژ، ظرفیت حمل جریان و توان قطع مجددا کالیبره شود.

هوای رقیق مانع از ایجاد بار الکتریکی دی‌الکتریک کافی برای تحمل سطوح ولتاژ می‌شود. همچنین، ارتفاع می‌تواند توان خروجی تجهیزات تولید برق را کاهش دهد. قبل از خرید کلید حفاظتی برای مناطق با ارتفاع زیاد، با یک متخصص برق مشورت کنید.

رطوبت و خوردگی:

برای شرایط با رطوبت بالا، استفاده از روکش محافظ رطوبت ویژه برای کلیدهای حفاظتی توصیه می‌شود. این روکش به مقاومت در برابر قارچ و کپک که به طور قابل توجهی سیستم‌ها را از بین می‌برند، کمک می‌کند. در محیط‌های با رطوبت بالا، اغلب از بخاری‌های فضایی در داخل محفظه‌ها استفاده می‌شود.

خوردگی بر اجزای کلید حفاظتی تأثیر گذاشته و منجر به ایجاد سیستم‌های معیوب می‌شود. در صورت نیاز به استفاده از کلید حفاظتی در مناطق با خوردگی بالا، باید از انواع مخصوص با مقاومت در برابر خوردگی استفاده شود.

احتمال بالای شوک الکتریکی:

در برخی از محیط‌های کاری، احتمال وقوع شوک الکتریکی بالاست. در چنین مواردی، برای جلوگیری از هرگونه حادثه‌ای، باید از تجهیزات ضد-شوک استفاده شود.

برنامه نگهداری کلید حفاظتی

انتخاب کلید حفاظتی مناسب مستلزم درنظرگرفتن الزامات مربوط به برنامه نگهداری آن می‌باشد. اولویت با کلیدهایی است که نیاز به حداقل تعمیرات دوره‌ای دارند. با این وجود، در صورت لزوم انجام برخی از مراحل نگهداری بر روی کلید، این فرآیند باید به آسانی، با صرف حداقل زمان و هزینه قابل اجرا باشد.

کلیدهای اتوماتیک کمپکت (MCCB) به دلیل ماهیت بسته‌ی خود که کمترین میزان در معرض گرد و غبار، کپک، رطوبت و آلودگی قرار دارد، از لحاظ عملکردی بسیار قابل اعتماد هستند. به همین ترتیب، مدل‌های بسته نسبت به مدل‌های باز نیاز به حداقل تعمیرات دوره‌ای دارند.

برخی از کلیدهای حفاظتی دیگر به منظور کاهش ریسک گرمایش بیش از حد (Overheating) و آسیب به اجزا، نیازمند تمیزکاری دوره‌ای هستند. بنابراین، سهولت باز و بسته شدن کلید برای انجام امور نگهداری، از نکات کلیدی در انتخاب به شمار می‌رود.