دليل كامل لاختيار مفتاح الدائرة وحساب الضبط

كيفية اختيار وإعداد المفاتيح الكهربائية

1. أنواع المفاتيح الكهربائية

1.1 مفتاح الدائرة الهوائي (ACB)
يُعرف أيضًا بمفتاح الإطار المصبوب أو المفتاح الكهربائي الشامل، حيث يتم تثبيت جميع المكونات داخل إطار معدني معزول. عادة ما يكون من النوع المفتوح، مما يسمح بسهولة استبدال الأطراف والقطع، ويمكن تجهيزه بأنواع مختلفة من الملحقات. غالبًا ما يتم استخدام ACBs كمفاتيح التغذية الرئيسية للطاقة. وحدات القطع التي تتجاوز التيار الكهربائي تشمل الأنواع الكهرومغناطيسية والإلكترونية والذكية. توفر حماية بأربع مراحل: التأخير الطويل، التأخير القصير، الفوري، والأرضي، مع إمكانية تعديل كل إعداد حماية ضمن نطاق يعتمد على حجم الإطار.

تعتبر ACBs مناسبة لشبكات التيار المتردد بتردد 50 هرتز وللجهد المقنن 380 فولت أو 660 فولت وللتيار المقنن من 200 أمبير إلى 6300 أمبير. وتستخدم بشكل أساسي لتوزيع الطاقة وحمايتها من الزيادات في الحمل والتقلبات في الجهد والدوائر القصيرة والارضية الواحدة. توفر هذه المفاتيح العديد من الوظائف الحماية الذكية والحماية الاختيارية. تحت الظروف العادية، يمكن استخدامها لتبديل الدوائر نادرًا. يمكن للمفاتيح الكهربائية ACBs حتى 1250 أمبير حماية المحركات من زيادة الحمل والدوائر القصيرة في أنظمة 380V/50Hz.

تشمل التطبيقات الشائعة المفاتيح الرئيسية للخروج من الجانب 400V من المحولات، ومفاتيح الربط بين الخطوط، والمفاتيح الرئيسية لخطوط التغذية ذات السعة الكبيرة، ومفاتيح تحكم المحركات الكبيرة.

1.2 مفتاح الدائرة ذو الإطار المصبوب (MCCB)
يُعرف أيضًا بمفتاح الدائرة القابل للتوصيل، حيث يتم وضع أطرافه وأجهزة إطفاء القوس ووحدات القطع والآليات التشغيلية في غلاف بلاستيكي. غالبًا ما تكون نقاط الاتصال المساعدة ووحدات القطع عند انخفاض الجهد ووحدات القطع الموازية من نوع الوحدات النمطية، مما يؤدي إلى تصميم مضغوط. عادةً لا يتم تصميم MCCBs لإصلاحها ويتم استخدامها بشكل أساسي لحماية الدوائر الفرعية.

تحتوي معظم MCCBs على وحدات القطع الحرارية-المغناطيسية. قد تتميز النماذج الأكبر بحساسات القطع الثابتة. يمكن أن تكون وحدات القطع التي تتجاوز التيار الكهربائي كهرومغناطيسية أو إلكترونية. عادة ما تكون MCCBs الكهرومغناطيسية غير انتقائية، وتقدم فقط حماية طويلة الأمد وفورية. توفر MCCBs الإلكترونية أربع وظائف حماية: طويلة الأمد، قصيرة الأمد، فورية، وأرضية. بعض النماذج الحديثة تتضمن التحكم بالاختيارية المناطقية.

تستخدم MCCBs بشكل شائع لتحكم وحماية دوائر التغذية، والمفاتيح الرئيسية للخروج من المحولات الصغيرة، ونقاط التحكم في المحركات، ومفاتيح الطاقة لمختلف الآلات.

1.3 مفتاح الدائرة المصغر (MCB)
تعتبر MCBs أكثر الأجهزة الحامية للطرف المستخدمة في أنظمة الكهرباء في المباني. تحمي الدوائر أحادية المرحلة وثلاثية المرحلة حتى 125 أمبير من الدوائر القصيرة والزيادات في الحمل والتقلبات في الجهد. متاحة في تكوينات 1P، 2P، 3P، و4P.

يتكون MCB من الآلية التشغيلية، والأطراف، وأجهزة الحماية (وحدات القطع المختلفة)، ونظام إطفاء القوس. يتم إغلاق الأطراف يدويًا أو كهربائيًا ويتم الاحتفاظ بها بواسطة آلية القطع الحرة. يتم توصيل ملف الوحدة القاطعة التي تتجاوز التيار الكهربائي وعنصر التسخين للوحدة الحرارية بالتسلسل مع الدائرة الرئيسية، بينما يتم توصيل ملف الوحدة القاطعة عند انخفاض الجهد بالتوازي مع مصدر الطاقة.

في تصميم أنظمة الكهرباء في المباني، تستخدم MCBs لحماية زيادة الحمل والدوائر القصيرة والتيارات الزائدة وتقلبات الجهد والأرضية والتسرب التلقائي لنقل مصادر الطاقة المزدوجة وتشغيل المحركات وحمايتها نادرًا.

2. المعلمات التقنية الرئيسية للمفاتيح الكهربائية

• الجهد المقنن للعمل (Ue)
  هو الجهد المقنن الذي تم تصميم المفتاح الكهربائي للعمل به باستمرار تحت ظروف محددة. في الصين، بالنسبة لأنظمة تصل إلى 220kV، يكون الجهد الأقصى للعمل 1.15 مرة الجهد المقنن للنظام؛ وبالنسبة لـ 330kV وما فوق، يكون 1.1 مرة. يجب أن يحافظ المفتاح على العزل ويقوم بعمليات التبديل عند الجهد الأقصى للنظام.

• التيار المقنن (In)
  هو التيار الذي يمكن لوحدة القطع حمله باستمرار في درجات حرارة البيئة تصل إلى 40 درجة مئوية. بالنسبة لوحدات القطع القابلة للتعديل، هذا هو التيار القابل للتعديل الأقصى. عند درجات حرارة أعلى من 40 درجة مئوية (حتى 60 درجة مئوية)، يُسمح بتخفيض التيار.

• إعداد التيار القاطع لزيادة الحمل (Ir)
  يقفز المفتاح بعد فترة زمنية عندما يتجاوز التيار Ir، والذي يمثل التيار الأقصى الذي يمكن للمفتاح حمله دون القفز. يجب أن يكون Ir أكبر من التيار الأقصى للحمل (Ib) ولكن أقل من التيار المسموح به للأسلاك (Iz). بالنسبة للمفاتيح الحرارية-المغناطيسية، يكون Ir عادة قابل للتعديل من 0.7 إلى 1.0In؛ بينما توفر وحدات القطع الإلكترونية نطاقًا أوسع، عادة من 0.4 إلى 1.0In. بالنسبة لوحدات القطع الثابتة، يكون Ir = In.

• إعداد التيار القاطع للدائرة القصيرة (Im)
  هو الحد الذي تنشط فيه وحدة القطع الفورية أو القصيرة الأمد لفصل الدائرة بسرعة أثناء التيارات العالية للأخطاء.

• القدرة على تحمل التيار القصير المقنن (Icw)
  هو التيار الذي يمكن للمفتاح تحمله لمدة زمنية محددة دون التعرض للتلف الحراري.

• القدرة على الفصل
  هو التيار الأقصى للأخطاء الذي يمكن للمفتاح فصله بأمان، مستقلًا عن التيار المقنن. القيم الشائعة تشمل 36kA و 50kA. يتم تصنيفها إلى القدرة على الفصل النهائية (Icu) والقدرة على الفصل الخدمية (Ics).

3. المبادئ العامة لاختيار المفاتيح الكهربائية

• الجهد المقنن للعمل ≥ جهد الدائرة المقنن.

• القدرة على الفصل القصيرة المقننة ≥ التيار المحسوب للحمل.

• القدرة على الفصل القصيرة المقننة ≥ التيار القصيرة الأقصى الممكن في الدائرة.

• التيار القصيرة من مرحلة واحدة إلى الأرض في نهاية الدائرة ≥ 1.25 × إعداد القطع الفوري (أو القصير الأمد).

• الجهد المقنن لوحدة القطع عند انخفاض الجهد = جهد الدائرة المقنن.

• الجهد المقنن لوحدة القطع الموازية = جهد مصدر الطاقة للتحكم.

• الجهد المقنن لآلية التشغيل الكهربائية = جهد مصدر الطاقة للتحكم.

• للدوائر الإضاءة، ضع التيار القاطع الكهرومغناطيسي الفوري عند 6 مرات التيار للحمل.

• لحماية المحرك الواحد من الدوائر القصيرة: 1.35× التيار الأولي للمحرك (سلسلة DW) أو 1.7× (سلسلة DZ).

• للمحركات المتعددة: 1.3× التيار الأولي للمحرك الأكبر + مجموع التيارات التشغيلية للمحركات الأخرى.

• كما مفتاح الجانب المنخفض للمحول الرئيسي: القدرة على الفصل > التيار القصيرة الأقصى للجانب المنخفض للمحول؛ التيار القاطع المقنن ≥ التيار المقنن للمحول؛ إعداد القطع القصيرة = 6–10× التيار المقنن للمحول؛ إعداد زيادة الحمل = التيار المقنن للمحول.

• بعد الاختيار الأولي، قم بتنسيق مع المفاتيح العلوية والسفلية لمنع القفز المتسلسل وتقليل نطاق الانقطاع.

4. الاختيارية للمفاتيح الكهربائية
تصنف المفاتيح الكهربائية كاختيارية وغير اختيارية. توفر المفاتيح الاختيارية حماية ثنائية أو ثلاثية: فورية وقصيرة الأمد للدوائر القصيرة، وطويلة الأمد لزيادة الحمل. المفاتيح غير الاختيارية عادة فورية (للدوائر القصيرة فقط) أو طويلة الأمد (لزيادة الحمل فقط). تتحقق الاختيارية باستخدام وحدات القطع القصيرة الأمد بضبط مختلف لأوقات التأخير. العناصر الرئيسية للنظر فيها:

• إعداد القطع الفوري العلوي ≥ 1.1 × التيار القصيرة الثلاثي الأقصى عند مخرج المفتاح السفلي.

• إذا كان السفلي غير اختياري، فإن إعداد القطع القصيرة الأمد العلوي ≥ 1.2 × إعداد القطع الفوري السفلي للحفاظ على الاختيارية.

• إذا كان السفلي أيضًا اختياري، فإن وقت التأخير القصيرة الأمد العلوي ≥ وقت التأخير القصيرة الأمد السفلي + 0.1 ثانية.
  عادة، Iop.1 ≥ 1.2 × Iop.2.

5. الحماية المتسلسلة
في تصميم النظام، يضمن التنسيق بين المفاتيح العلوية والسفلية الاختيارية والسرعة والحساسية. يسمح التنسيق المناسب بعزل الأخطاء بشكل انتقائي، مع الحفاظ على الطاقة للدوائر الصحية. يستخدم التسلسل تأثير تحديد التيار للمفتاح العلوي (QF1). عند حدوث دائرة قصيرة سفلية (عند QF2)، يقوم QF1 بتقليل التيار الفعلي للأخطاء، مما يسمح لـ QF2 بفصل تيار أعلى من قدرته المقننة. هذا يسمح باستخدام المفاتيح السفلية الأقل تكلفة والأقل قدرة على الفصل. الشروط تشمل عدم وجود أحمال حرجة على الدوائر المجاورة (بما أن قفزة QF1 ستؤدي إلى انقطاع التيار عن QF3)، وتطابق الإعدادات الفورية بشكل صحيح. يتم تحديد بيانات التسلسل من خلال الاختبارات وتوفيرها من قبل الشركات المصنعة.

6. الحساسية للمفاتيح الكهربائية
لضمان التشغيل الموثوق به في حالات الأخطاء الدنيا، يجب أن تكون الحساسية (Sp) ≥1.3 وفقًا لـ GB50054-95:
Sp = Ik.min / Iop ≥ 1.3
حيث Iop هو إعداد القطع الفوري أو القصير الأمد، وIk.min هو التيار القصيرة الأدنى في نهاية الخط المحمي تحت أدنى حالة تشغيل للنظام. بالنسبة للمفاتيح الاختيارية التي تتوفر فيها القطع القصيرة والفورية، يحتاج فقط إلى التحقق من حساسية القطع القصيرة.

7. اختيار وإعداد وحدات القطع

(1) إعداد القطع الفوري لزيادة التيار. يجب أن يتجاوز التيار الذروة (Ipk) للدائرة أثناء بدء تشغيل المحرك:
Iop(0) ≥ Krel × Ipk
(Krel = عامل الموثوقية)

(2) إعداد القطع لزيادة التيار القصيرة الأمد وزمن القطع
Iop(s) ≥ Krel × Ipk. تكون أوقات التأخير عادة 0.2 ثانية، 0.4 ثانية، أو 0.6 ثانية، بحيث يتم ضبطها لضمان أن وقت التشغيل العلوي يتجاوز السفلي بمقدار خطوة زمنية واحدة.

(3) إعداد القطع لزيادة التيار طويل الأمد وزمن القطع
يحمي من زيادة الحمل: Iop(l) ≥ Krel × I30 (التيار الأقصى للحمل). يجب أن يكون ضبط الوقت أكبر من المدة المسموح بها للزيادة المؤقتة في الحمل.

(4) التنسيق بين إعدادات القطع وقدرة الأسلاك.
لمنع ارتفاع درجة حرارة الأسلاك أو الحريق بدون القطع:

Iop ≤ Kol × Ial
حيث Ial = القدرة المسموح بها للأسلاك على حمل التيار، Kol = عامل الزيادة المؤقتة (4.5 للقطع الفوري والقصيرة الأمد؛ 1.1 للقطع طويل الأمد كحماية ضد الدوائر القصيرة؛ 1.0 لحماية زيادة الحمل فقط). إذا لم يتم تحقيق ذلك، قم بتعديل إعداد القطع أو زيادة حجم الأسلاك.