آشنایی با انواع کلید مینیاتوری و کاربرد آنها

در این مقاله انواع کلید مینیاتوری را بر اساس کاربرد آنها معرفی میکنیم. از بریکر مینیاتوری جهت حفاظت مدار یا تابلوی نهایی با پارامترهای الکتریکی محدود استفاده می‌شود. در مدارها و تابلوهای نهایی میزان جریان نرمال، جریان خطا و تغییرات ولتاژ بسیار کمتر از بخش‌های اصلی است. با نزدیک شدن به منبع فشار ضعیف مانند ترانس MV/LV میزان جریان خطا و ولتاژهای گذرا افزایش پیدا کرده و نصب بریکرهای مینیاتوری محدود می‌شود. مشخصات، تست‌های کلید مینیاتوری و دیگر الزامات مربوط به کلیدهای مینیاتوری در دو استاندارد ساختمانی و صنعتی شرح داده شده است. از استانداردهای مهم کلیدهای مینیاتوری می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• استاندارد IEC 60898-1 مربوط به بریکرهای نصب شده در مدارهای ساختمانی و مشابه با جریان AC
• استاندارد IEC 60898-2 مربوط به بریکرهای نصب شده در مدارهای ساختمانی و مشابه با جریان AC/DC
• استاندارد IEC 60898-3 مربوط به بریکرهای نصب شده در مدارهای ساختمانی و مشابه با جریان DC
• استاندارد IEC60947-2 سوئیچگیر و کنترل گیرهای فشار ضعیف بخش دوم، بریکرها

توصیه می‌شود به جای کلید از اصطلاح بریکر مینیاتوری استفاده شود. در متن جهت آشنایی از هر دو اصطلاح استفاده شده است. بریکر مینیاتوری یک سوئیچ مکانیکی بوده که کنتاکت یا کنتاکت‌های آن در هوا قطع و وصل می‌شود. به عبارت دیگر کنتاکت‌ها در محفظه یا عایق خاصی قرار ندارند. هر پل حفاظتی بریکر مینیاتوری دارای کنتاکت، رها کننده‌های حرارتی و مغناطیسی به همراه ادوات خاموش کننده‌ی قوس الکتریکی است. بریکرهای مینیاتوری دارای مشخصه‌ی جریانی فیکس و غیر قابل تنظیم هستند. در بیان مشخصات جریانی این بریکرها از نوع جریان، جریان نامی، تیپ، قدرت قطع، کلاس محدودیت انرژی و غیره استفاده می شود. بریکرهای مینیاتوری به صورت AC، AC/DC و DC ساخته می‌شوند. در ادامه برخی از گروه بندی‌ها و مقادیر نامی انواع کلیدهای مینیاتوری طبق استاندارد IEC60898-1:2019 ویرایش 2.1 آورده شده است.

دسته بندی بریکرها یا Classification

بریکرهای مینیاتوری در استاندارد IEC60898-1:2019 ویرایش 2.1 طبق 6 آیتم زیر دسته می‌شوند. هر یک از این آیتم ها بیان کننده‌ی خصوصیات ظاهری، مکانیکی یا الکتریکی بریکرها است.

1. دسته بندی بر اساس تعداد پل

کلیدهای مینیاتوری طبق استاندارد IEC در انواع 1 تا 4 پل ساخته می‌شوند. این پل‌ها می‌توانند ترکیبی از مدل‌های حفاظتی، بدون حفاظت و نول باشند. انواع کلیدهای مینیاتوری از نظر تعداد پل عبارت است از:

• بریکرهای یک پل
• بریکرهای دو پل با یک پل حفاظت شده
• بریکرهای دو پل با دو پل حفاظت شده
• بریکرهای سه پل با سه پل حفاظت شده
• بریکرهای چهار پل با سه پل حفاظت شده
• بریکرهای چهار پل با چهار پل حفاظت شده

پل حفاظت نشده بریکر مینیاتوری در مدل‌های دو و چهار پل می‌تواند پل حفاظت نشده معمولی یا پل سوئیچ نوترال باشد. پل سوئیچ نوترال یا نول از نظر زمان با کنتاکت‌های حفاظت شده متفاوت است. این کنتاکت به شکل وصل سریع و قطع و با تاخیر است. به عبارت دیگر کنتاکت نول در مقایسه با کنتاکت حفاظت شده، سریع تر بسته شده و دیرتر جدا می‌شود. کنتاکت نول با حرف N یا علامت زیر مشخص می‌شود.

تصویر 1 کنتاکت سوئیچ نول

در برخی برندها اهرم قطع و وصل کنتاکت نول، سفید رنگ است. در ادامه تصویر بریکرهای مینیاتوری برند ایتون با تعداد پل‌های مختلف آورده شده است.

بریکر مینیاتوری دوپل حفاظت شده	بریکر مینیاتوری 1 پل + نول	بریکر مینیاتوری 1 پل
بریکر مینیاتوری چهار پل حفاظت شده	بریکر مینیاتوری سه پل + نول	بریکر مینیاتوری سه پل حفاظت شده

تصویر 2 بریکرهای مینیاتوری ایتون از 1 تا 4 پل

بریکرهای مینیاتوری 1 پل + نول در مدل‌های 1 و 2 ماژول ساخته می‌شوند. مدل‌های 2 ماژول دارای عرض 36 میلی متر بوده و فضای بیشتری اشغال می‌کنند. به منظور کاهش ابعاد تابلو برق می‌توان از مدل‌های تک ماژول نیز استفاده کرد. این بریکرها دارای یک پل حفاظت شده + کنتاکت نول بوده ولی عرض آن به اندازه‌ی یک ماژول یا 18 میلی متر است. در تصویر یک بریکر تک ماژول از برند ایتون به صورت 1 فاز + نول را مشاهده می‌کنید.

تصویر 3 بریکر تک ماژول 1 فاز + نول

2. دسته‌بندی بر اساس حفاظت در برابر اثرات خارجی

• Enclosed-type یا نوع دارای محفظه: نیازی به محفظه‌ی اختصاصی ندارد.
• Unenclosed-type یا نوع بدون محفظه یا باز: نیاز به محفظه اختصاصی برای نصب و استفاده دارد.

بریکرها بر اساس استانداردهای مختلفی تولید می‌شوند. برخی از بریکرها نیاز به تابلو یا محفظه‌ی اختصاصی داشته و به صورت آزاد قابل نصب نیستند. این بریکرها اصطلاحا Unenclosed-type نام دارند. در طرف مقابل بریکرهای Enclosed-type وجود دارند. این بریکرها توسط شرکت سازنده و با استانداردهای خاص داخل یک تابلوی مجزا نصب می شوند. در تصویر یک بریکر Enclosed-type را مشاهده می‌کنید.

تصویر 4 بریکر با محفظه‌ی اختصاصی یا Enclosed-type

3. انواع کلید مینیاتوری بر اساس روش نصب

• Surface-type یا نصب روی سطح یا نصب روکار
• Flush-type یا نصب هم سطح یا داخل کار
• Panel board type یا نصب تابلویی یا نصب داخل تابلوی توزیع

روش نصب کلیدهای مینیاتوری به مدل ساخت و استاندارد آن بستگی دارد. به عنوان مثال در تصویر یک بریکر مینیاتوری 20 آمپر اشنایدر سری E-Frame با ولتاژ 227 ولت و قدرت قطع حداکثر 25 کیلو آمپر را مشاهده می‌کنید. این بریکر با استاندارد UL تولید شده و قابل استفاده در آمریکا است. بریکرهای UL به شکل‌های مختلفی در تابلوهای توزیع با عنوان panelboard نصب می‌شوند. بریکرهای قابل نصب به روش‌های فوق ممکن است دارای بخش قرارگیری روی ریل استاندارد نیز باشند.

تصویر 5 تابلوی panelboard و بریکر مینیاتوری UL

4. انواع کلید مینیاتوری بر اساس روش اتصال

نصب کلیدهای مینیاتوری به دو بخش مکانیکی و الکتریکی تقسیم می‌شود. نصب مکانیکی به معنی قرار دادن بریکر در تابلو یا باکس مجزا و ثابت کردن آن است. بخش الکتریکی مربوط به ورودی و خروجی‌های بریکر می‌شود. در این بخش باید اتصالات ورودی و خروجی با توجه به جنس و سطح مقطع هادی صورت بگیرد. با توجه به نوع بریکر ممکن است نصب مکانیکی و الکتریکی آن به یکدیگر ارتباط داشته باشد. در ادامه روش اتصال بریکر با توجه به حالت مکانیکی و نوع ترمینال آن بررسی شده است.

دسته‌بندی بر اساس سیستم نصب یا ثابت کردن بریکر

• بریکرهایی که اتصالات الکتریکی آن‌ها به اتصالات مکانیکی وابسته نیست.
• بریکرهایی که اتصالات الکتریکی آن‌ها به اتصالات مکانیکی وابسته است. این بریکرها عبارتنداز:
  • مدل‌های پلاگ این Plug-in type
  • مدل‌های پیچ و مهره‌ای Bolt-on type
  • مدل‌های پیچی Screw-in type

کلیدهای مینیاتوری در استاندارد IEC مستقیم روی ریل قرار گرفته و اتصالات الکتریکی آن‌ها به نصب مکانیکی وابسته نیست. در استانداردهای آمریکایی، انواع کلیدهای مینیاتوری می توانند اتصالات مختلفی داشته باشند. به عنوان مثال با نصب مکانیکی بریکر، اتصال الکتریکی ورودی یا ورودی و خروجی آن دایر شود. برخی از بریکرها ممکن است فقط ورودی آن‌ها به صورت پلاگین یا پیچ و مهره‌ای باشد. ترمینال‌های سمت بار یا خروجی در این نوع بر اساس سیم‌بندی تعیین می‌شود. در تصویر یک بریکر 20 آمپر با ولتاژ 120 ولت متناوب و قدرت قطع 22 کیلو آمپر را مشاهده می‌کنید. این بریکر از سری Q0 اشنایدر با استاندارد UL است. این بریکر دارای بخش‌های مختلفی مانند سیستم تشخیص آرک، نصب پلاگین و اتصال نول به صورت پلاگین است.

تصویر 6 بریکر مینیاتوری سری Q0 اشنایدر

دسته‌بندی بر اساس نوع ترمینال

از ترمینال برای اتصال هادی خارجی استفاده می‌شود. هر پل بریکر مینیاتوری دارای یک ترمینال ورودی و یک ترمینال خروجی است. ترمینال از نظر جنس هادی، شکل هادی، روش اتصال و غیره می‌تواند متفاوت باشد. در این بخش چهار نوع ترمینال مربوط به بریکرهای مینیاتوری در استانداردهای مختلف آورده شده است:

• بریکرهای دارای ترمینال پیچی یا Screw-type terminal برای اتصال به هادی خارجی از جنس مسی
• بریکرهای دارای ترمینال بدون پیچ یا Screwless type terminal برای اتصال به هادی مسی: الزامات مربوط به این بریکرها در ضمیمه‌ی J آورده شده است.
• بریکرهای دارای ترمینال مسطح یا Flat quick-connection terminal جهت نصب سریع هادی‌های مسی خارجی: الزامات مربوط به این بریکرها در ضمیمه‌ی K آورده شده است.
• بریکرهای دارای ترمینال‌های پیچی یا Screw-type termina برای اتصال به هادی خارجی از جنس آلومینیومی : الزامات مربوط به این بریکرها در ضمیمه‌ی L آورده شده است.

5. دسته‌بندی بر اساس جریان تریپ لحظه‌ای

بریکر مینیاتوری دارای دو بخش حفاظتی مجزا به صورت اضافه بار و اتصال کوتاه است. حفاظت اضافه بار توسط بی متال انجام شده و رفتار آن زمان-معکوس است. رابطه‌ی زمان معکوس به معنی قطع سریع‌تر بریکر در جریان‌های بالاتر است. به عبارت دیگر هر چقدر میزان جریان عبوری از مدار بیشتر شود، سرعت قطع بریکر افزایش پیدا خواهد کرد. حفاظت بریکر مینیاتوری در برابر اتصال کوتاه توسط بوبین مغناطیسی انجام شده و عملکرد آن به صورت آنی است. با رسیدن جریان به محدوده‌ی عملکرد آنی، دیگر زمان‌سنجی انجام نشده و بلافاصله فرمان قطع صادر می‌شود.

مشخصه‌های زمان-معکوس و آنی بریکر به صورت یک منحنی پیوسته با عنوان TCC نمایش داده می‌شود. عبارت T.C.C مخفف Time-current characteristic بوده و رفتار بریکر بر اساس جریان‌های عبوری مختلف را تعیین می‌کند. در تصویر منحنی جریان-زمان یا TCC بریکر مینیاتوری تیپ B را مشاهده می‌کنید. در بریکر تیپ B جریان‌های بیشتر از 1 تا 3 برابر جریان نامی، توسط بخش اضافه بار تشخیص داده می‌شوند. سرعت عملکرد بریکر در محدوده‌ی اضافه بار به میزان جریان عبوری بستگی دارد. بریکر تیپ B در جریان های بین 3 تا 5 برابر جریان AC و 3 تا 7 برابر جریان DC، فرمان قطع را بلافاصله صادر می‌کند. فرمان قطع لحظه‌ای توسط بوبین صورت می‌گیرد.

تصویر 7 منحنی TCC بریکر مینیاتوری تیپ B

انواع کلیدهای مینیاتوری از نظر میزان جریان خطا، قابل تنظیم نبوده و دارای رفتار مشخصی هستند. شرکت‌های سازنده جهت پوشش مدارها و بارهای مختلف، این بریکرها را در جریان نامی، تیپ و قدرت قطع های گسترده‌ای تولید می‌کنند. جریان نامی بریکرهای مینیاتوری می‌تواند تا 125 آمپر انتخاب شود. جریان نامی بر اساس جریان حالت عادی بار انتخاب خواهد شد.

تیپ بخش مغناطیسی، مشخصه‌ی دیگر بریکر مینیاتوری است. هر تیپ بریکر مینیاتوری در برابر عبور میزان خاصی از جریان، فرمان قطع لحظه‌ای را صادر می‌کند. جریان تریپ لحظه‌ای یا Instantaneous tripping current مربوط به عملکرد آنی یا بدون تاخیر بریکر است. این جریان بر اساس مضربی از جریان نامی بیان می‌شود. بریکرهای مینیاتوری از نظر جریان تریپ لحظه‌ای در کلاس‌های مختلفی مانند B، C و D تولید می‌شوند. تیپ و محدوده‌ی عملکرد آن‌ها با توجه به AC یا DC بودن بریکر متفاوت خواهد بود. انتخاب تیپ بریکر می‌تواند بر اساس قوانین تاسیسات انجام شود. در این قسمت رنج استاندارد عملکرد لحظه‌ای بریکرهای مینیاتوری AC را مشاهده می‌کنید.

• تیپ B: بیشتر از 3 برابر جریان نامی و تا خود 5 برابر جریان نامی
• تیپ C: بیشتر از 5 برابر جریان نامی و تا خود 10 برابر جریان نامی
• تیپ D: بیشتر از 10 برابر جریان نامی و تا خود 20 برابر جریان نامی

تصویر 8 منحنی TCC بریکرهای مینیاتوری با تیپ های B، C و D

در تصویر بعد TCC انواع کلیدهای مینیاتوری تیپ B، C و D را در کنار یکدیگر مشاهده می‌کنید. در منحنی TCC مقادیر مختلف جریانی مشخص شده است. به عنوان مثال Int جریان قراردادی عدم قطع است. مقدار جریان عدم قطع 1.13 برابر جریان نامی بریکر است. این جریان در کمتر از 1 ساعت نباید توسط بریکر قطع شود. پارامتر بعدی It یا جریان قراردادی قطع است. مقدار جریان قراردادی قطع 1.45 برابر جریان نامی بریکر است. این جریان در کمتر از 1 ساعت باید توسط بریکر قطع شود. جریان‌های قراردادی با توجه به استاندارد و نوع بریکر ممکن است متفاوت باشند.. بخش‌های 1 تا 7 تصویر بعد عبارتنداز:

1. جریان \(I_n\) 2.55: این جریان در بریکرهای کوچکتر از 32 آمپر باید در زمان بین 1 تا 60 ثانیه قطع شود. زمان قطع در بریکرهای بالاتر از 32 آمپر بین 1 تا 120 ثانیه خواهد بود.
2. تیپ B: جریان 3 برابر \(I_n\) باید در بیشتر از 0.1 ثانیه قطع شود.
3. تیپ B: جریان 5 برابر \(I_n\) باید در کمتر از 0.1 ثانیه قطع شود.
4. تیپ C: جریان 5 برابر \(I_n\) باید در بیشتر از 0.1 ثانیه قطع شود.
5. تیپ C: جریان 10 برابر \(I_n\) باید در کمتر از 0.1 ثانیه قطع شود.
6. تیپ D: جریان 10 برابر \(I_n\) باید در بیشتر از 0.1 ثانیه قطع شود.
7. تیپ D: جریان 20 برابر \(I_n\) باید در کمتر از 0.1 ثانیه قطع شود.

تصویر 9 منحنی TCC بریکرهای مینیاتوری مختلف

6. دسته بندی بر اساس مشخصه‌ی \({\boldsymbol{I}}^{\boldsymbol{\mathrm{2}}}\boldsymbol{t}\)

علاوه بر مشخصه‌ی \(I^\mathrm2t\) ارائه شده توسط شرکت سازنده، کلیدهای مینیاتوری ممکن است بر اساس مشخصه‌ی \(I^\mathrm2t\) خود دسته‌بندی شوند.