قطع کننده مدار ( سیرکوئیت بریکر) یک دستگاه ایمنی الکتریکی است که برای محافظت از مدار الکتریکی در برابر آسیب های ناشی از جریان اضافه یا اتصال کوتاه طراحی شده است. عملکرد اصلی آن قطع جریان جریان برای محافظت از تجهیزات و جلوگیری از خطر آتش سوزی است. بر خلاف فیوز که یک بار کار می کند و سپس باید تعویض شود، یک قطع کننده مدار را می توان مجددا (به صورت دستی یا خودکار) تنظیم کرد تا کار عادی خود را از سر بگیرد.
کلیدهای مدار در اندازه های مختلف ساخته می شوند، از دستگاه های کوچکی که از مدارهای جریان کم یا لوازم خانگی منفرد محافظت می کنند تا تابلو برق بزرگ که برای محافظت از مدارهای ولتاژ بالا که کل شهر را تغذیه می کنند، طراحی شده اند. عملکرد عمومی یک قطع کننده مدار یا فیوز، به عنوان وسیله ای خودکار برای حذف برق از یک سیستم معیوب، اغلب به اختصار OCPD (دستگاه حفاظت از جریان بیش از حد) خوانده می شود.
ریشه ها
شکل اولیه قطع کننده مدار توسط توماس ادیسون در یک درخواست ثبت اختراع در سال 1879 توصیف شد، اگرچه سیستم توزیع برق تجاری او از فیوز استفاده می کرد. هدف آن محافظت از سیم کشی مدار روشنایی از اتصال کوتاه تصادفی و اضافه بار بود. یک قطع کننده مدار مینیاتوری مدرن مشابه آنچه که اکنون استفاده می شود توسط Brown, Boveri & Cie در سال 1924 به ثبت رسید. هوگو استوتز، مهندسی که شرکت خود را به BBC فروخته بود، به عنوان مخترع در DRP (Deutsches Reichspatent) 458392 معرفی شد. اختراع استوتز پیشروی قطع کننده مغناطیسی حرارتی مدرن بود که تا به امروز در مراکز بار خانگی استفاده می شود.
اتصال چندین منبع ژنراتور به یک شبکه الکتریکی مستلزم توسعه قطع کننده های مدار با افزایش درجه بندی ولتاژ و افزایش توانایی برای قطع ایمن جریان های اتصال کوتاه افزایش یافته توسط شبکه ها بود. سوئیچ های دستی ایربریک ساده در هنگام قطع ولتاژ بالا قوس های خطرناکی ایجاد می کنند. اینها جای خود را به تماسهای محصور در روغن و اشکال مختلف با استفاده از جریان هدایت شده هوای تحت فشار یا روغن تحت فشار برای خنک کردن و قطع قوس دادند. تا سال 1935، قطع کننده های مدار ساخته شده ویژه که در پروژه سد بولدر استفاده می شد، از هشت سری شکست و جریان نفت تحت فشار برای قطع خطاهای تا 2500 مگاولت آمپر، در سه سیکل فرکانس برق متناوب استفاده کردند.
عملکرد
تمام سیستم های قطع کننده مدار دارای ویژگی های مشترک در عملکرد خود هستند، اما جزئیات بسته به کلاس ولتاژ، درجه جریان و نوع قطع کننده مدار به طور قابل توجهی متفاوت است.
کلید مدار ابتدا باید یک وضعیت عیب را تشخیص دهد. در قطع کننده های برق کوچک و فشار ضعیف، این کار معمولاً در داخل خود دستگاه انجام می شود. به طور معمول، اثرات گرمایش یا مغناطیسی جریان الکتریکی استفاده می شود. قطع کننده های مدار برای جریان های زیاد یا ولتاژهای بالا معمولاً با دستگاه های رله حفاظتی تنظیم می شوند تا وضعیت عیب را احساس کنند و مکانیزم باز شدن را به کار گیرند. اینها معمولاً به یک منبع تغذیه جداگانه مانند باتری نیاز دارند، اگرچه برخی از قطع کننده های مدار ولتاژ بالا با ترانسفورماتورهای جریان، رله های محافظ و یک منبع تغذیه کنترل داخلی مستقل هستند.
هنگامی که یک خطا تشخیص داده شد، کانتکت های قطع کننده مدار باید باز شود تا مدار قطع شود. این معمولاً با استفاده از انرژی ذخیره شده مکانیکی موجود در فنر انجام می شود، مانند فنر یا هوای فشرده برای جدا کردن کنتاکت ها. کلیدهای مدار ممکن است از جریان بالاتر ناشی از خطا برای جداسازی کنتاکت ها مانند انبساط حرارتی یا میدان مغناطیسی استفاده کنند. کلیدهای مدار کوچک معمولاً دارای یک اهرم کنترل دستی برای خاموش کردن بار یا تنظیم مجدد قطع کننده قطع شده هستند، در حالی که واحدهای بزرگتر از شیر برقی برای خاموش کردن مکانیسم و موتورهای الکتریکی برای بازگرداندن انرژی به فنرها استفاده می کنند.
کنتاکت های قطع کننده مدار باید جریان بار را بدون گرمایش بیش از حد حمل کنند و همچنین باید گرمای قوس تولید شده هنگام قطع (باز کردن) مدار را تحمل کنند. کنتاکت ها از مس یا آلیاژهای مس، آلیاژهای نقره و سایر مواد بسیار رسانا ساخته می شوند. عمر مفید کنتاکت ها به دلیل فرسایش مواد تماس به دلیل ایجاد قوس در هنگام قطع جریان محدود می شود. قطع کننده های مدار مینیاتوری و قالبی معمولاً زمانی که کنتاکت ها فرسوده شده اند دور انداخته می شوند، اما کلیدهای مدار برق و قطع کننده های مدار ولتاژ بالا دارای کنتاکت های قابل تعویض هستند.
هنگامی که یک جریان یا ولتاژ بالا قطع می شود، قوس الکتریکی ایجاد می شود. طول قوس معمولاً متناسب با ولتاژ است در حالی که شدت (یا گرما) متناسب با جریان است. این قوس باید به صورت کنترل شده مهار، خنک و خاموش شود تا شکاف بین کنتاکت ها دوباره بتواند ولتاژ مدار را تحمل کند. کلیدهای مدار مختلف از خلاء، هوا، گاز عایق یا روغن به عنوان محیطی که قوس در آن تشکیل می شود استفاده می کنند. تکنیک های مختلفی برای خاموش کردن قوس استفاده می شود از جمله:
افزایش یا انحراف قوس
خنک کننده شدید (در محفظه های جت)
تقسیم به قوس های جزئی
خاموش کردن نقطه صفر (تماس ها در زمان عبور جریان صفر شکل موج AC باز می شوند، به طور موثر جریان بار را در زمان باز شدن قطع می کنند. عبور از صفر در دو برابر فرکانس خط رخ می دهد؛ یعنی 100 بار در ثانیه برای 50 هرتز و 120 بار در ثانیه برای 60 هرتز AC.)
اتصال خازن ها به صورت موازی با کنتاکت ها در مدارهای DC.
در نهایت، هنگامی که وضعیت خطا برطرف شد، کنتاکت ها باید دوباره بسته شوند تا برق به مدار قطع شده بازگردد.
قطع قوس
کلیدهای مدار مینیاتوری ولتاژ پایین (MCB) از هوا به تنهایی برای خاموش کردن قوس استفاده می کنند. این مدارشکن‌ها حاوی به اصطلاح کانال‌های قوس هستند، پشته‌ای از صفحات فلزی موازی با عایق‌بندی متقابل که قوس را تقسیم و خنک می‌کنند. با تقسیم قوس به قوس‌های کوچک‌تر، قوس خنک می‌شود در حالی که ولتاژ قوس افزایش می‌یابد و به عنوان یک امپدانس اضافی عمل می‌کند که جریان عبوری از مدار شکن را محدود می‌کند. قطعات حامل جریان در نزدیکی کنتاکت ها انحراف آسان قوس را به داخل کانال های قوس توسط نیروی مغناطیسی یک مسیر جریان فراهم می کنند.
سیم‌پیچ‌های فوران مغناطیسی gh یا آهن‌رباهای دائمی نیز می‌توانند قوس را به داخل کانال قوس منحرف کنند (در قطع کننده‌های مدار برای رتبه‌بندی بالاتر استفاده می‌شود). تعداد صفحات در کانال قوس به درجه اتصال کوتاه و ولتاژ نامی مدارشکن بستگی دارد.
در رتبه‌بندی‌های بزرگتر، کلیدهای مدار روغن بر تبخیر بخشی از روغن برای انفجار یک جت روغن در قوس متکی هستند.
قطع کننده های مدار گاز (معمولاً هگزا فلوراید گوگرد) گاهی اوقات قوس را با استفاده از یک میدان مغناطیسی کش می دهند و سپس برای خاموش کردن قوس کشیده شده به قدرت دی الکتریک هگزا فلوراید گوگرد (SF6) تکیه می کنند.
قطع کننده های مدار خلاء دارای حداقل قوس هستند (زیرا چیزی برای یونیزه کردن به جز مواد تماس وجود ندارد). قوس زمانی که به مقدار بسیار کمی کشیده شود (کمتر از 2 تا 3 میلی متر (0.08-0.1 اینچ)) خاموش می شود. قطع کننده های مدار خلاء اغلب در دنده های سوئیچ ولتاژ متوسط مدرن تا 38000 ولت استفاده می شود.
قطع کننده های مدار هوا ممکن است از هوای فشرده برای دمیدن قوس استفاده کنند، یا به طور متناوب، کنتاکت ها به سرعت در یک محفظه مهر و موم شده کوچک چرخانده می شوند و هوای جابجا شده خارج می شود و بنابراین قوس خارج می شود.
کلیدهای مدار معمولاً می توانند تمام جریان را خیلی سریع قطع کنند: معمولاً قوس بین 30 میلی ثانیه تا 150 میلی ثانیه پس از خاموش شدن مکانیزم خاموش می شود، بسته به سن و ساخت دستگاه. حداکثر مقدار جریان و انرژی عبوری، کیفیت کلیدهای مدار را تعیین می کند.
مدار کوتاه
قطع کننده های مدار هم با جریان معمولی که انتظار می رود حمل کنند و هم حداکثر جریان اتصال کوتاهی که می توانند با خیال راحت قطع کنند رتبه بندی می شوند. این رقم اخیر ظرفیت قطع آمپر (AIC) قطع کننده است.
در شرایط اتصال کوتاه، حداکثر جریان اتصال کوتاه آینده‌نگر محاسبه‌شده یا اندازه‌گیری شده ممکن است چندین برابر جریان نامی معمولی مدار باشد. هنگامی که کنتاکت های الکتریکی برای قطع جریان بزرگ باز می شوند، تمایل به ایجاد قوس بین کنتاکت های باز شده وجود دارد که به جریان ادامه می دهد. این وضعیت می تواند گازهای یونیزه رسانا و فلز مذاب یا تبخیر ایجاد کند که می تواند باعث ادامه بیشتر قوس یا ایجاد اتصال کوتاه اضافی شود که به طور بالقوه منجر به انفجار مدار شکن و تجهیزات نصب شده در آن می شود. قطع کننده های مدار باید ویژگی های مختلفی را برای تقسیم و خاموش کردن قوس در خود داشته باشند.
حداکثر جریان اتصال کوتاهی که یک بریکر می تواند قطع کند با آزمایش تعیین می شود. استفاده از یک بریکر در مداری با جریان اتصال کوتاه احتمالی بالاتر از ظرفیت قطعی بریکر ممکن است منجر به شکست ایمن قطع کننده یک خطا شود. در بدترین حالت ممکن است بریکر خطا را با موفقیت قطع کند و در صورت بازنشانی منفجر شود.
قطع کننده های مدار پانل خانگی معمولی برای قطع جریان اتصال کوتاه 6 کیلو آمپر (6000 A) درجه بندی می شوند.
قطع کننده های مدار مینیاتوری که برای محافظت از مدارهای کنترلی یا وسایل کوچک استفاده می شوند، ممکن است ظرفیت قطعی کافی برای استفاده در برد پانل را نداشته باشند. این کلیدهای مدار را “محافظ مدار تکمیلی” می نامند تا آنها را از کلیدهای توزیعی متمایز کند.
منابع:
