کلیدهای هوایی (ACB) ها یا قطع کننده‌های مدار هوایی، تجهیزاتی هستند که برای محافظت از مدارهای الکتریکی در برابر اضافه بار، اتصال کوتاه و سایر خطاهای الکتریکی استفاده می شوند. کلیدهای هوایی معمولاً در سیستم های توزیع برق یافت می‌شوند و کاربردهای صنعتی دارند. ACB ها با قطع خودکار جریان برق در هنگام تشخیص عیب عمل می کنند و بدین صورت از وارد شدن آسیب به مدار جلوگیری می کنند و ایمنی سیستم الکتریکی را تضمین می کنند. این بریکرها برای کنترل جریان های بالا طراحی شده اند و می توانند در صورت بروز خطا، مدار را به سرعت و با اطمینان قطع کنند. ACB ها به دوام، قابلیت اطمینان و توانایی تحمل بارهای الکتریکی زیاد شناخته شده اند. کلیدهای هوایی نقش مهمی در حفظ پایداری و ایمنی سیستم های الکتریکی دارند.
در این نوشته برآنیم که با تاریخچه کلیدهای هوایی، انواع آن، نحوه عملکرد این کلیدها و غیره آشنا شده و نکاتی در این باره یاد بگیریم.
تاریخچه کلیدهای هوایی
تاریخچه کلیدهای هوایی (ACB) به اوایل قرن بیستم باز می گردد، زمانی که پیشرفت هایی در مهندسی برق ایجاد شد. ACB ها در نتیجه نیاز به دستگاه های حفاظت مدار کارآمدتر و مطمئن‌تر توسعه یافته اند.
در سال‌های اولیه، بریکرها (مدارشکنها) عمدتاً از نوع روغنی بودند که در آنها از روغن به عنوان وسیله‌ای برای اطفای قوس استفاده می‌کردند. با توجه به معایب بریکرهای مبتنی بر روغن، از قبیل خطر آتش سوزی و نگرانی های زیست محیطی، منجر به استفاده از فناوری های جایگزین شد. مفهوم استفاده از هوا به عنوان وسیله اطفاء قوس توسعه پیدا کرد و اولین بریکرهای هوا در دهه 1930 معرفی شدند. این ACB های اولیه از هوای فشرده برای خاموش کردن قوس الکتریکی که در طول قطع مدار تشکیل می شود استفاده می کردند. آنها مزایای ایمنی و زیست محیطی بهتری را در مقایسه با قطع کننده های مبتنی بر روغن ارائه کردند.
- جورج اچ. گوبل، مهندس آمریکایی در سال 1923، برای اولین بار از هوای فشرده برای خاموش کردن قوس الکتریکی در هنگام قطع شدن مدار استفاده کرد و به این ترتیب اولین کلیدهای هوایی ایجاد شدند. این نوآوری پیشرفت قابل توجهی در تکنولوژی قطع کننده‌های مدار داشت.
در طول سال‌ها، ACBها از نظر طراحی و نیز تکنولوژی پیشرفت‌های چشمگیری داشتند. معرفی سیم پیچ های مغناطیسی در دهه 1950 عملکرد کلیدهای هوایی را بهتر کرد و قابلیت اطمینان کلیدهای هوایی بیشتر شد. سیم‌پیچ‌های فوران مغناطیسی یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند که منجر به افزایش طول آرک و خاموش شدن قوس می شوند.
با ظهور سیستم های الکترونیکی حالت جامد و سیستمهای کنترل دیجیتال، ACB ها هوشمندتر و کارآمدتر شده‌اند. کلیدهای هوایی مدرن دارای ویژگی های پیشرفته ای مانند سیستم تریپ قابل تنظیم، قابلیت های ارتباطی و عملکردهای حفاظتی داخلی هستند. این پیشرفت‌ها ACBها را کارآمدتر، قابل اعتمادتر و آسان‌تر برای ادغام در سیستمهای الکتریکی بزرگتر کرده است.
- هنگامی که به قابلیت های ارتباطی ACB ها (Air Circuit Breakers) اشاره می شود، معمولاً به معنای توانایی این دستگاه ها برای برقراری ارتباط با سایر سیستم ها یا دستگاه ها در یک شبکه الکتریکی است. ACB های مدرن اغلب مجهز به ماژول ها یا پروتکل های ارتباطی هستند که به آنها اجازه می دهد اطلاعات و داده ها را با سیستم های کنترل نظارتی و جمع آوری داده (SCADA) ، سیستم های مدیریت ساختمان (BMS) یا سایر سیستم های نظارت و کنترل مبادله کنند. این قابلیت های ارتباطی، نظارت، کنترل و تشخیص از راه دور ACB ها را امکان پذیر می کند. آنها می توانند اطلاعات را به صورت آنلاین در مورد وضعیت، پارامترهای عملیاتی و اندازه گیری های الکتریکی قطع کننده مدار ارائه دهند. این اطلاعات می تواند شامل سطوح جریان، ولتاژ، میزان مصرف برق، رویدادهای خطا و سایر داده های مرتبط باشد. با ادغام ACB ها در یک شبکه ارتباطی، اپراتورها می توانند از راه دور سیستم الکتریکی را نظارت و کنترل کنند و به سرعت به هر گونه خطا یا ناهنجاری پاسخ دهند. این امر کارایی کلی، قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم توزیع برق را افزایش می دهد.
- توجه به این نکته مهم است که قابلیت‌های ارتباطی خاص ACB بسته به سازنده، مدل و پروتکل‌های ارتباطی پشتیبانی شده مانندModbus ، Profibus یا پروتکل‌های مبتنی بر اترنت می‌تواند متفاوت باشد.
امروزه ACB ها به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله نیروگاه‌ها، شبکه‌های توزیع و تولید برق و نیز در زیرساختها استفاده می شوند. آنها نقش مهمی در محافظت از مدارهای الکتریکی و تجهیزات در برابر خطا، تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم های الکتریکی دارند.
توسعه و بهبود مستمر ACB ها آنها را به یک جزء ضروری در تاسیسات الکتریکی مدرن تبدیل کرده است که حفاظت مدار کارآمد و موثری را ارائه می دهد.
کاربرد کلیدهای هوایی:
- توزیع برق:
کلیدهای هوایی به طور گسترده در سیستم های توزیع برق برای محافظت از مدارهای الکتریکی در برابر اضافه بار ، اتصال کوتاه و سایر خطا های الکتریکی استفاده می شوند. این کلیدها ایمنی و قابلیت اطمینان شبکه توزیع را با قطع جریان برق در هنگام وقوع خطا تضمین می کنند.
- کارخانه های صنعتی:
کلیدهای هوایی در کارخانه های صنعتی از جمله تاسیسات تولیدی، پالایشگاه ها، کارخانه های شیمیایی و… کاربرد پیدا می کنند. آنها از تجهیزات و ماشین آلات حیاتی در برابر خطاهای الکتریکی محافظت می کنند و از آسیب و خرابی جلوگیری می کنند. ACB ها قادر به مدیریت جریان های بالا هستند و حفاظت قابل اعتمادی را در محیط های صنعتی ارائه می دهند.
- علاوه بر آن از کلیدهای هوایی در کارخانه ها برای حفاظت از تجهیزات صنعتی مانند ترانسفورماتورها، خازن ها و ژنراتورها استفاده می‌شود.
- دیتا سنترها:
در مراکز داده منبع تغذیه بدون وقفه ضروری است لذا ACBها نقش مهمی در دیتاسنترها ایفا می کنند. آنها از تجهیزات حساس مانند سرورها و دستگاه های شبکه در برابر خطاهای الکتریکی محافظت می کنند. هر گونه خطا می تواند منجر به از دست دادن اطلاعات یا خرابی سیستمهای کامپیوتری شود.
- سیستم های انرژی تجدید پذیر:
ACB ها در سیستم های انرژی تجدید پذیر ، از جمله نیروگاه های خورشیدی و مزارع بادی برای محافظت از زیرساخت های الکتریکی به کار می روند. آنها از تجهیزات تولید و توزیع برق در برابر خطا محافظت می کنند و عملکرد کارآمد و قابل اعتماد را تضمین می کنند.
- معدن و صنایع سنگین:
ACB ها در عملیات معدنی و صنایع سنگین برای محافظت از مدارهای الکتریکی و تجهیزات در محیط های چالش برانگیز استفاده می شوند. آنها محافظت قابل اعتمادی را در برابر خطاهای الکتریکی ارائه می دهند و به ایمنی و بهره وری این صنایع کمک می کنند.
به طور کلی برای کلید هوایی دو وظیفه اصلی مطرح است:
وظیفه اول کلید هوایی سوئیچینگ یا قطع و وصل شبکه است. وظیفه بعدی آن حفاظت از شبکه در شرایطی همچون ، اتصال کوتاه و یا کاهش، افزایش حرارت تجهیزات در برابر عبور جریان زیاد و یا اضافه بار و از سنکرون خارج شدن ژنراتورها از شبکه است.
به طور کلی، ACB ها به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و در آن حفاظت ایمن مدارهای الکتریکی و تجهیزات بسیار مهم است. توانایی آنها در جریانهای بالا ، دوام و ایمنی آنها را به یک مؤلفه اساسی در حفظ پایداری و ایمنی سیستم های الکتریکی در بخش های مختلف تبدیل می کند.
انواع کلیدهای هوایی:
- کلیدهای هوایی ثابت یا فیکس:
این نوع ACB دارای فریم ثابت است. کلید هوایی ثابت یا فیکس در محل نصب می شود و پس از نصب امکان تغییر مکان یا جا به جایی آن وجود ندارد. بدیهی است در شرایطی که نیاز به تغییر مکان کلید خواهیم داشت کاربردی نخواهند داشت.
- ACB کشویی:
برخلاف ACB های ثابت، ACB های کشویی دارای مکانیزمی هستند که به راحتی می توان آن را وارد یا خارج کرد. این امکان نگهداری راحت و تعویض واحدهای معیوب را بدون قطع منبع تغذیه فراهم می کند. کلید های هوایی کشویی دارای یک محفظه هستند که کلید بصورت کشویی و با چرخاندن یک دسته روتاری به جلو و یا عقب حرکت میکند و به سرعت قابل تعویض هستند و نیازی به جداسازی شمش ها از کلید نیست (همه اتصالات به کشو متصل می شود) ولی کلید های ثابت و در اصطلاح فیکس این قابلیت را دارا نیستند
مزایای کلیدهای هوایی:
- عمر بالا:
کلیدهای هوایی معمولاً عمر بالایی دارند. برای مثال به طور معمول عمر کلیدهای هوایی دو برابر کلیدها کمپکت می‌باشد.
- قدرت قطع بالا:
کلیدهای هوایی به طور کلی از قدرت قطع جریان الکتریکی بالایی نیز برخوردار می باشند. همچنین این دژنکتورها امکان قطع مدار تحت بار را فراهم کرده اند.
- تحمل جریان بالا:
کلیدهای هوایی به طور کلی می‌توانند جریان های بالاتری را نسبت به کلیدهای کمپکت تحمل کنند و برای کاربردهایی که نیاز به تحمل بارهای الکتریکی بزرگ‌تری دارند، مناسب هستند.
- 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 می‌باشد.
معایب کلیدهای هوایی:
- سایز بزرگ:
دژنکتورها در مقایسه با کلیدهای کمپکت معمولاً از نظر اندازه بزرگتر هستند. لذا نمی‌توان در مواردی که فضا محدود است از کلیدهای هوایی استفاده کرد.
- هزینه بالا:
کلیدهای هوایی به دلیل تحمل جریان بالاتر و ویژگی های پیشرفته تر به طور کلی از کلیدهای کمپکت گران تر هستند. این امر می تواند عاملی باشد که در صورت وجود محدودیت های بودجه باید در نظر گرفته شود.
- نصب پیچیده:
به طور کلی کلیدهای هوایی به مراحل نصب پیچیده تری در مقایسه با سایر کلیدهای اتوماتیک نیاز دارند. این می تواند زمان نصب و پیچیدگی را به خصوص در مقاوم سازی سیستم های موجود افزایش دهد.
- قابلیت حمل محدود:
به دلیل اندازه بزرگ کلیدهای به راحتی قابل حمل نیستند. این می تواند در مواردی که در آنها تحرک یا قابل حمل بودن مورد نیاز است مورد توجه قرار گیرد.
اجزای بیرونی کلید هوایی:
- دکمه وصل (O)
- دکمه قطع (I)
- نمایشگر وضعیت قطع و وصل
- دکمه ریست
- نمایشگر LED
- قسمت کنترلر کلید
- قفل سه‌وضعیتی (شامل حالت‌های تست، اتصال و حالت ایزوله)
- نمایشگر مخصوص سه حالت تست، اتصال و ایزوله
- مشخصات نامی کلید
- نمایشگر دیجیتال
- دستگیره شارژ دستی
ساختمان داخلی کلید هوایی:
- سلونوئید(Solenoid) الکتریکی
- فریم یا قاب
- کویل‌های سری برای عملیات تریپ
- میله تریپر یا قطع کننده (Tripper bar)
- کنتاکت‌های اصلی
- ترمینال کلید هوایی
- کنتاکت آرک یا کنتاکت متحرک
- قسمت عایقی
- پروب نگهدارنده یا پروب لچ (Latch prop)
- مکانیزم عملکردی
- اهرم یا دستگیره
بر اساس استاندارد جهانی و برای دستیابی به اندازه کوچک‌تر، مدارهای قطع کننده، از یک ساختار سه‌بعدی و کامپکت پیروی می‌کنند. پنل‌های سمت چپ و راست، سیستم کنتاکت و سیستم قطع فوریِ اضافه جریان همگی روی یک صفحه عایق قرار گرفته‌اند. در قسمت بالایی سیستم اطفاء جرقه یا آرک قرار دارد و در قسمت جلویی کلید، مکانیزم عملکردی قرار گرفته است.
معمولاً در قسمت‌های بالا و سمت چپِ کلید هوایی، رله‌های شنت و آندر ولتاژ قرار می‌گیرند و به مدار تریپ متصل می‌شوند. ترانسفورماتور جریان (current transformator) نیز روی شین پایینی کلید هوایی قرار داده می‌شود؛ به همین دلیل تجهیزاتی مانند رله‌های حرارتی یا تریپرهای نیمه‌هادی (semiconductor trippers) را می‌توان در قسمت پایین کلید نصب کرد.
به طور کلی، کنتاکت هر فاز در کلید هوایی، به همراه یک محفظه خاموش‌کننده آرک، با اتصالات مخصوص داخل یک مقره‌ی کوچک عایق قرار می‌گیرد و مدار کلید هوایی، قطع و وصل شدن آنها را به کمک همین اتصالات کنترل میکند. به این منظور، کلید هوایی از دو کنتاکت موازی دنده‌ای استفاده میکند تا کنتاکت هر فاز روی باس قرار گیرد. همچنین عملیات باز و بسته شدن هر کنتاکت، هنگام خاموش و روشن شدن کلید به کمک یک فنر انجام می‌شود.
۱ – باس بار
۲ – اتصال نرم
۳ – کنتاکت متحرک
۴ – کنتاکت ثابت
۵ – فنر
۶ – شاتون (اهرمی که کنتاکت اصلی را به مقره متصل میکند)
۷ – شفت اصلی
۸ – نگهدارنده کنتاکت
