اختيار وضبط المفتاح الكهربائي: دليل كامل من المعلمات الأساسية إلى الحماية الانتقائية
تصنيف قواطع الدائرة
(1) قاطع الدائرة الهوائي (ACB)
قاطع الدائرة الهوائي، المعروف أيضًا باسم قاطع الإطار المصبوب أو القاطع العام، يحتوي على جميع المكونات داخل إطار معدني معزول. عادة ما يكون من النوع المفتوح، مما يسمح بتثبيت العديد من الملحقات، ويتيح استبدال نقاط الاتصال والأجزاء بسهولة. يستخدم بشكل شائع كمفتاح التغذية الرئيسية. وحدات الرحلة التي تتجاوز التيار الكهربائي تشمل الأنواع المغناطيسية والإلكترونية والذكية. يوفر القاطع حماية بأربع مراحل: التأخير الطويل، التأخير القصير، الفوري، وحماية الخطأ الأرضي. يمكن ضبط كل إعداد للحماية ضمن نطاق بناءً على حجم الإطار.
تُستخدم قواطع الدائرة الهوائية في الشبكات التوزيعية لجهد متردد 50 هرتز، وللجهود المقننة 380 فولت أو 660 فولت، وللتيارات المقننة من 200 أمبير إلى 6300 أمبير. وتستخدم أساسا لتوزيع الطاقة الكهربائية وحماية الدوائر والمعدات الكهربائية من زيادة الحمل والجهد المنخفض والتعرض القصير للتوصيل بين طرفي الدائرة والتعرض الواحد للأرض وغيرها من الأعطال. توفر هذه القواطع العديد من الوظائف الذكية للحماية وتمكن من الحماية الاختيارية. تحت الظروف العادية، يمكن استخدامها لتحويل الدوائر بشكل نادر. يمكن استخدام ACBs بسعة تصل إلى 1250 أمبير في شبكات الجهد المتردد 50 هرتز، 380 فولت لحماية المحركات من زيادة الحمل والتعرض القصير للتوصيل بين طرفي الدائرة.
تُستخدم قواطع الدائرة الهوائية أيضًا بشكل شائع كمفاتيح رئيسية على الجانب 400 فولت من المحولات، ومفاتيح الوصلات الأمامية، ومفاتيح التغذية ذات السعة العالية، ومفاتيح التحكم في المحركات الكبيرة.
(2) قاطع الدائرة ذو الإطار المصبوب (MCCB)
يُعرف أيضًا باسم قاطع الدائرة القابل للتركيب، يحتوي قاطع الدائرة ذو الإطار المصبوب على الأطراف، نقاط الاتصال، غرف إطفاء الشرارة، وحدات الرحلة، والآليات التشغيلية داخل غلاف بلاستيكي. الأطراف المساعدة، وحدات الرحلة عند انخفاض الجهد، ووحدات الرحلة المتوازية غالبًا ما تكون موحدة. الهيكل مضغوط، ولا يعتبر الصيانة عادة. هو مناسب لحماية الدوائر الفرعية. تتضمن قواطع الدائرة ذات الإطار المصبوب عادة وحدات الرحلة الحرارية-المغناطيسية، بينما قد يتم تجهيز النماذج الأكبر بحساسات الرحلة الصلبة.
وحدات الرحلة التي تتجاوز التيار الكهربائي لمجموعة MCCB متاحة في الأنواع المغناطيسية والإلكترونية. عادة ما تكون قواطع MCCB المغناطيسية غير انتقائية وتوفر فقط الحماية طويلة المدى والفورية. توفر قواطع MCCB الإلكترونية أربع وظائف حماية: التأخير طويل المدى، التأخير قصير المدى، الفوري، وحماية الخطأ الأرضي. بعض أنواع MCCB الإلكترونية الجديدة المقدمة تتميز أيضًا بالربط الانتقائي للمناطق.
تُستخدم قواطع الدائرة ذات الإطار المصبوب بشكل عام لتحكم وحماية دوائر التغذية، ومفاتيح رئيسية على الجانب المنخفض الجهد من المحولات التوزيعية الصغيرة، وتحكم التوزيع النهائي للطاقة، ومفاتيح الطاقة لأجهزة الإنتاج المختلفة.
(3) قاطع الدائرة المصغر (MCB)
قاطع الدائرة المصغر هو الجهاز الأكثر استخدامًا لحماية نهاية النظام في أنظمة التوزيع الكهربائية للمباني. يتم استخدامه لحماية الدوائر الأحادية والثلاثية الأطوار حتى 125 أمبير من التعرض القصير للاصطناع، وزيادة الحمل، والجهد الزائد، ويأتي في تكوينات الأقطاب الواحدة (1P)، ثنائية الأقطاب (2P)، ثلاثية الأقطاب (3P)، وأرباع الأقطاب (4P).
يتكون MCB من الآلية التشغيلية، نقاط الاتصال، أجهزة الحماية (وحدات الرحلة المختلفة)، ونظام إطفاء الشرارة. يتم إغلاق نقاط الاتصال الرئيسية يدويًا أو كهربائيًا. بعد الإغلاق، يقوم نظام الإطلاق الحر بإغلاق نقاط الاتصال في وضع الإغلاق. يتم توصيل ملف وحدة الرحلة التي تتجاوز التيار الكهربائي وعناصر التسخين لوحدة الرحلة الحرارية بالسلسلة مع الدائرة الرئيسية، بينما يتم توصيل ملف وحدة الرحلة عند انخفاض الجهد بالتوازي مع مصدر الطاقة.
في تصميم الكهرباء للمباني المدنية، تُستخدم قواطع الدائرة المصغرة بشكل أساسي لغرض الحماية والتشغيل مثل زيادة الحمل، التعرض القصير، زيادة التيار، فقدان الجهد، انخفاض الجهد، التأريض، التسرب، تحويل المصدر المزدوج للطاقة تلقائيًا، وتشغيل المحركات بشكل نادر.
المعلمات الأساسية لقواطع الدائرة
(1) الجهد المقنن للعمل (Ue)
هو الجهد المقنن لقاطع الدائرة، والذي يمكنه العمل بشكل مستمر تحت ظروف الخدمة والأداء المحددة.
في الصين، بالنسبة للمستويات الجهدية حتى 220 كيلوفولت، يكون الجهد الأقصى للعمل 1.15 مرة الجهد المقنن للنظام؛ أما بالنسبة لـ 330 كيلوفولت وما فوق، يكون الجهد الأقصى للعمل 1.1 مرة الجهد المقنن. يجب أن يحافظ قاطع الدائرة على العزل وأن يكون قادرًا على الإغلاق والفصل تحت الجهد الأقصى للنظام.
(2) التيار المقنن (In)
هو التيار الذي يمكن لوحدة الرحلة حمله بشكل مستمر بدرجة حرارة محيطة أقل من 40 درجة مئوية. بالنسبة لقواطع الدائرة التي تحتوي على وحدات رحلة قابلة للضبط، يشير إلى التيار الأقصى الذي يمكن لوحدة الرحلة حمله بشكل مستمر.
عند استخدامه في درجات حرارة محيطة أعلى من 40 درجة مئوية ولكن لا تتجاوز 60 درجة مئوية، يمكن أن يعمل القاطع بمعدل تحميل أقل لخدمة طويلة الأمد.
(3) ضبط تيار الرحلة عند زيادة الحمل (Ir)
عندما يتجاوز التيار ضبط وحدة الرحلة Ir، يرتفع قاطع الدائرة بعد فترة تأخير. وهو يمثل أيضًا التيار الأقصى الذي يمكن لقاطع الدائرة حمله دون الرحلة. يجب أن يكون هذا القيمة أكبر من التيار الأقصى للحمل Ib ولكن أقل من التيار الأقصى المسموح به Iz للدائرة.
بالنسبة لوحدات الرحلة الحرارية-المغناطيسية، يمكن ضبط Ir عادةً ضمن نطاق 0.7–1.0In. وبالنسبة لوحدات الرحلة الإلكترونية، يكون نطاق الضبط عادةً أوسع، عادةً 0.4–1.0In. بالنسبة لقواطع الدائرة التي تحتوي على وحدات رحلة تزيد عن التيار الكهربائي غير قابلة للضبط، يكون Ir = In.
(4) ضبط تيار الرحلة عند التعرض القصير (Im)
وحدة الرحلة عند التعرض القصير (الفوري أو التأخير قصير المدى) تسبب قاطع الدائرة في الرحلة بسرعة عند حدوث تيارات أعطال عالية. عتبة الرحلة هي Im.
(5) التيار المقنن للتحمل القصير (Icw)
هو قيمة التيار المسموح بها المرور عبر الموصل لمدة محددة دون أن تسبب تلفًا بسبب الحرارة الزائدة.
(6) قدرة القطع
قدرة قاطع الدائرة على القطع بأمان تيارات الأعطال، والتي ليست بالضرورة مرتبطة بتياره المقنن. التصنيفات الشائعة تشمل 36 كيلو أمبير و 50 كيلو أمبير. يتم تقسيمه عادة إلى قدرة القطع القصوى للأعطال القصيرة (Icu) وقدرة القطع الخدمية للأعطال القصيرة (Ics).
مبادئ عامة لاختيار قاطع الدائرة
أولاً، اختر نوع وعدد الأقطاب بناءً على التطبيق؛ ثم اختر التيار المقنن بناءً على التيار العملي الأقصى؛ وأخيراً، اختر نوع وحدة الرحلة والملحقات. المتطلبات الخاصة كالتالي:
الجهد المقنن لقاطع الدائرة ≥ الجهد المقنن للخط.
قدرة قاطع الدائرة على صنع/قطع التيار القصيرة المقننة ≥ التيار العملي المحسوب للخط.
قدرة قاطع الدائرة على صنع/قطع التيار القصيرة المقننة ≥ التيار القصيرة الأقصى الممكن في الخط (عادة ما يتم حسابه كقيمة جذر متوسط المربعات).
تيار التعرض الواحد للأرض في نهاية الخط ≥ 1.25 مرة ضبط الرحلة الفورية (أو التأخير قصير المدى) لقاطع الدائرة.
الجهد المقنن لوحدة الرحلة عند انخفاض الجهد = الجهد المقنن للخط.
الجهد المقنن لوحدة الرحلة المتوازية = جهد مصدر الطاقة للتحكم.
الجهد المقنن للعمل الكهربائي للآلية التشغيلية = جهد مصدر الطاقة للتحكم.
عند استخدامه في دوائر الإضاءة، يكون ضبط الرحلة الفورية لوحدة الرحلة المغناطيسية عادةً 6 مرات التيار العملي للحمل.
عند استخدام قاطع الدائرة لحماية المحرك الواحد من التعرض القصير، يكون ضبط الرحلة الفورية 1.35 مرة التيار الأولي للمحرك (للسلسلة DW) أو 1.7 مرة (للسلسلة DZ).
عند استخدام قاطع الدائرة لحماية عدة محركات من التعرض القصير، يكون ضبط الرحلة الفورية 1.3 مرة التيار الأولي للمحرك الأكبر بالإضافة إلى التيارات العملية للمحركات الأخرى.
عند استخدام قاطع الدائرة كمفتاح رئيس على الجانب المنخفض الجهد من محول التوزيع، يجب أن تتجاوز قدرته على القطع التيار القصيرة على الجانب المنخفض الجهد من المحول. يجب ألا يكون التيار المقنن لوحدة الرحلة أقل من التيار المقنن للمحول. يكون ضبط الحماية من التعرض القصير عادةً 6-10 مرات التيار المقنن للمحول؛ ويكون ضبط الحماية من زيادة الحمل يساوي التيار المقنن للمحول.
بعد اختيار نوع وتصنيف قاطع الدائرة بشكل أولي، يتطلب التنسيق مع أجهزة الحماية العلوية والسفلية لتجنب الرحلة المتسلسلة وتقليل نطاق الحادث.
الانتقائية لقواطع الدائرة
في أنظمة التوزيع، يتم تصنيف قواطع الدائرة بأنها انتقائية أو غير انتقائية بناءً على أداء الحماية. تتميز قواطع الدائرة ذات الجهد المنخفض الانتقائية بحماية ثنائية أو ثلاثية المراحل. يتم استخدام خصائص الفورية والتأخير قصير المدى لحماية التعرض القصير، بينما يتم استخدام خصائص التأخير طويل المدى لحماية زيادة الحمل. قواطع الدائرة غير الانتقائية عادة ما تكون فورية، تستخدم فقط لحماية التعرض القصير، أو طويلة المدى، تستخدم فقط لحماية زيادة الحمل.
في أنظمة التوزيع، إذا كان القاطع العلوي انتقائيًا والقاطع السفلي غير انتقائي أو انتقائي، يتم تحقيق الانتقائية عن طريق استخدام تأخير وحدة الرحلة قصيرة المدى أو الاختلاف في ضبط تأخير الوقت. عند عمل القاطع العلوي بتأخير الوقت، يجب النظر في ما يلي:
بغض النظر عما إذا كان القاطع السفلي انتقائيًا أو غير انتقائي، يجب أن يكون ضبط الرحلة الفورية للتيار الزائد للقاطع العلوي عادةً لا يقل عن 1.1 مرة التيار القصيرة الثلاثي الأطوار الأقصى عند مخرج القاطع السفلي.
إذا كان القاطع السفلي غير انتقائي، لمنع وحدة الرحلة قصيرة المدى للتيار الزائد للقاطع العلوي من العمل أولاً بسبب عدم كفاية الحساسية لوحدة الرحلة الفورية للقاطع السفلي خلال التعرض القصير، يجب أن يكون ضبط الرحلة قصيرة المدى للتيار الزائد للقاطع العلوي عادةً لا يقل عن 1.2 مرة ضبط الرحلة الفورية للقاطع السفلي.
إذا كان القاطع السفلي أيضًا انتقائيًا، لضمان الانتقائية، يجب أن يكون وقت تشغيل الرحلة قصيرة المدى للقاطع العلوي على الأقل 0.1 ثانية أطول من وقت تشغيل الرحلة قصيرة المدى للقاطع السفلي.
بشكل عام، لضمان التشغيل الانتقائي بين قواطع الدائرة العلوية والسفلية ذات الجهد المنخفض، يجب أن يكون لدى القاطع العلوي أفضلية وحدة الرحلة قصيرة المدى، وأن يكون التيار العملي له على الأقل مستوى واحد أعلى من وحدة الرحلة السفلية. على الأقل، يجب أن يكون التيار العملي Iop.1 للقاطع العلوي لا يقل عن 1.2 مرة التيار العملي Iop.2 للقاطع السفلي، أي Iop.1 ≥ 1.2Iop.2.
حماية التسلسل لقواطع الدائرة
في تصميم أنظمة التوزيع، يجب أن يحقق التنسيق بين قواطع الدائرة العلوية والسفلية "الانتقائية، السرعة، والحساسية". تتعلق الانتقائية بالتنسيق بين القواطع، بينما تتعلق السرعة والحساسية بخصائص جهاز الحماية ونمط التشغيل للدائرة.
التنسيق الصحيح بين القواطع العلوية والسفلية يسمح بعزل الدائرة المعيبة بشكل انتقائي، مما يضمن استمرار التشغيل الطبيعي للدوائر الأخرى غير المعيبة. يؤثر التنسيق السيء على موثوقية النظام.
تعتبر حماية التسلسل تطبيقًا عمليًا لخصائص تقييد التيار لقواطع الدائرة. المبدأ الأساسي هو الاستفادة من تأثير تقييد التيار للقاطع العلوي (QF1)، مما يسمح باختيار قاطع سفلي (QF2) بقدرة قطع أقل، وبالتالي تقليل التكلفة. يمكن لقاطع التيار QF1 العلوي تقييد التيار القصيرة الأقصى المتوقع عند نقطة تركيبه. بما أن القواطع العلوية والسفلية متصلة على التوالي، عندما يحدث التعرض القصير عند مخرج القاطع السفلي QF2، يتم تقليل التيار القصيرة الفعلي بشكل كبير بواسطة تأثير تقييد التيار QF1، بحيث يكون أقل بكثير من التيار القصيرة المتوقع عند تلك النقطة. وبالتالي، يتم تعزيز قدرة QF2 على القطع بواسطة QF1، مما يتجاوز قدرته على القطع المقننة.
للحماية التسلسلية شروط معينة: على سبيل المثال، يجب ألا تحتوي الدوائر المجاورة على أحمال حيوية (لأن الرحلة QF1 ستؤدي أيضًا إلى قطع التيار عن دائرة QF3)، ويجب أن يتم تطابق الضبط الفوري لـ QF1 وQF2 بشكل صحيح. يمكن تحديد بيانات التسلسل فقط تجريبيًا، ويجب توفير التنسيق بين القواطع العلوية والسفلية من قبل الشركة المصنعة.
حساسية قواطع الدائرة
لضمان التشغيل الموثوق لوحدة الرحلة الفورية أو قصيرة المدى للتيار الزائد تحت أدنى ظروف تشغيل النظام وفي حالة التعرض القصير الأقل حدة ضمن نطاق الحماية، يجب أن تلبي حساسية قاطع الدائرة متطلبات "كود تصميم التوزيع الكهربائي المنخفض الجهد" (GB50054-95)، والتي تحدد حساسية لا تقل عن 1.3، أي Sp = Ik.min / Iop ≥ 1.3. هنا، Iop هو التيار العملي لوحدة الرحلة الفورية أو قصيرة المدى للتيار الزائد، Ik.min هو التيار القصيرة الأحادي أو ثنائي الأطوار في نهاية الخط المحمي تحت أدنى ظروف تشغيل النظام، وSp هي حساسية قاطع الدائرة.
عند اختيار قاطع الدائرة، يجب التحقق أيضًا من حساسيته. بالنسبة لقواطع الدائرة الانتقائية التي تحتوي على وحدات رحلة قصيرة المدى وفورية للتيار الزائد، يحتاج فقط إلى التحقق من حساسية وحدة الرحلة قصيرة المدى؛ لا يتطلب التحقق من حساسية وحدة الرحلة الفورية.
اختيار وإعداد وحدات الرحلة لقواطع الدائرة
(1) ضبط التيار العملي لوحدة الرحلة الفورية للتيار الزائد
بعض الأجهزة الكهربائية المحمية بواسطة قاطع الدائرة لديها تيارات ذروة عالية أثناء التشغيل، وهي عدة مرات التيار المقنن، مما يتسبب في تعرض قاطع الدائرة لتيارات ذروة عالية مؤقتًا. يجب أن يكون التيار العملي Iop(o) لوحدة الرحلة الفورية للتيار الزائد أكبر من تيار الذروة Ipk للدائرة، أي Iop(o) ≥ Krel·Ipk، حيث Krel هو معامل الموثوقية. عند اختيار قاطع الدائرة، يجب التأكد من أن ضبط الرحلة الفورية للتيار الزائد يتجاوز تيار الذروة لمنع الرحلة غير المرغوب فيها.
(2) ضبط التيار العملي وزمن وحدة الرحلة قصيرة المدى للتيار الزائد
يجب أن يكون التيار العملي Iop(s) لوحدة الرحلة قصيرة المدى للتيار الزائد أيضًا أكبر من تيار الذروة Ipk للدائرة، أي Iop(s) ≥ Krel·Ipk، حيث Krel هو معامل الموثوقية. أوقات الرحلة قصيرة المدى عادة ما تكون 0.2 ثانية، 0.4 ثانية، أو 0.6 ثانية، ويتم تحديدها بناءً على الانتقائية مع أجهزة الحماية العلوية والسفلية، مما يضمن أن الجهاز العلوي يعمل لاحقًا من الجهاز السفلي بمدة زمنية واحدة.
(3) ضبط التيار العملي وزمن وحدة الرحلة طويلة المدى للتيار الزائد
تُستخدم وحدة الرحلة طويلة المدى للتيار الزائد بشكل أساسي لحماية زيادة الحمل. يجب أن يكون التيار العملي Iop(l) أكبر فقط من التيار الأقصى للحمل (التيار المحسوب I30) للدائرة، أي Iop(l) ≥ Krel·I30، حيث Krel هو معامل الموثوقية. يجب أن يكون الوقت العملي أكبر من مدة السماح بزيادة الحمل قصيرة المدى لمنع الرحلة غير المرغوب فيها.
(4) متطلبات التنسيق بين التيار العملي لوحدة الرحلة للتيار الزائد والدائرة المحمية
لمكافحة تلف العزل أو الحريق بسبب زيادة الحمل أو التعرض القصير دون أن يقوم قاطع الدائرة بالرحلة، يجب أن يلبي التيار العملي Iop لوحدة الرحلة للتيار الزائد الشرط: Iop ≤ Kol·Ial. هنا، Ial هو القدرة المسموح بها للحمل للأسلاك المعزولة؛ Kol هو معامل السماح بزيادة الحمل قصيرة المدى - عادة 4.5 لوحدات الرحلة الفورية وقصيرة المدى، 1.1 لوحدات الرحلة طويلة المدى المستخدمة لحماية التعرض القصير، و1.0 عند استخدامها فقط لحماية زيادة الحمل. إذا لم يتم الالتزام بهذه متطلبات التنسيق، يجب ضبط ضبط الرحلة أو زيادة مقطع السلك أو الكابل بشكل مناسب.
