قواطع الجهد المنخفض (المنمنمة و المقولبة و قاطع الدائرة ذو تسريب التيار الأرضي)

سنتعرف في هذا المقال على عدة أنواع من قواطع الجهد المنخفض (MCB, MCCB, GFCB)

قبل البدء بالمقال دعونا نتطرق لبعض المفاهيم المعينة الخاصة بتوصيف القاطع لكي يسهل علينا فهم بقية المقال:

تتحدد أهم مواصفات القاطع الكهربائي بعد تحديد قيمة الجهد المقنن  Rated Voltage (Ue) بتحديد عدة عناصر هامة، كما هو موضح أدناه:

1. (Rated Insulation Voltage Ui): وهو أقصى جهد يتحمله القاطع لمدة معينة بالثواني عندما يكون الجهد محدد بقيمة معينة من الجهد المقنن.
2. (Rated Impulse Withstand Voltage Uimp): وهو أقصى جهد يمكن أن يتحمله القاطع في حالة الجهود العالية عند وجود صواعق أو الفصل والتوصيل وعادة ماتكون 10 أضعاف الجهد المقنن والمدة بالملي ثانية.
3. التيار المقنن (Rated Current Irated Amp): وهو أقصى تيار يمكن أن يمر بالقاطع باستمرار دون أن يتسبب في أي ضرر للمعدات وفصل للقاطع CB وتقاس بالأمبير ولها قيم قياسية معروفة.
4. تيار القصر (Short Circuit Capacity SCC): وهي قيمة سعة القصر وتقاس بالكيلو أمبير (KA) ويقصد بها أقصى قيمة للتيار يمكن أن يتحملها القاطع أثناء القصر دون أن يحترق وهي قيم عالية طبعاً وهي زيادة كبيرة جداً في التيار عن قيمة التيار المقنن وتتسبب في أضرار للكابلات والمعدات في حالة عدم وجود حماية لها، ولاحظ بأن المقصود بأن يتحملها لمدة وجيزة تقاس بالملي ثانية ولاتتعدى ثواني معدودة وليس المقصود بأن يتحملها مدة طويلة.
5. (Rated Peak Withstand Current Ipk): وهو أقصى تيار طبيعي يتحمله القاطع تحت شروط خاصة بالاختبار.
6. (Rated Ultimate Breaking Capacity Icu): وهو أقصى تيار عطل يمكن للقاطع أن يفصله دون أن يحدث له ضرر ويجب اختبار القاطع بعدها.
7. (Rated Services Breaking Capacity Ics): وهي أقصى قيمة لتيار القصر يمكن أن يتحملها القاطع لثلاث مرات متتالية ويجب تغيير القاطع بعدها، وهي تمثل نسبة من Icu بقيمة من القيم التالية (75, 50, 25 و 100%) وكلما زادت هذه النسبة كان أفضل.
8. (Rated Short-time withstand Current Icw): وهو أقصى تيار يتحمله القاطع تحت ظروف اختبار يحددها المصنع ولمدة ثانية غالباً.

 فكرة عمل القاطع:

وظيفة القاطع هي حماية المعدات والكابلات من تيار زيادة الحمل وتيار القصر، وذلك من خلال:

1. وحدة فصل حرارية (Thermal Trip Unit): ومبدأ عملها الحماية ضد تيار الحمل الزائد (Overload Current)، وهي عبارة عن شريحة ثنائية المعدن (Bimetallic Strip) فعند مرور تيار أعلى من قيمة التيار المقنن يتسبب هذا التيار في تسخين شريحة المعدن فتتمدد وتقوم بسحب الجزء المسؤول عن فتح القاطع وذلك في زمن قد يقدر بالدقائق ويتناسب هذا الزمن عكسياً مع قيمة التيار.
2. وحدة فصل مغناطيسية (Magnetic Trip Unit): ومبدأ عملها الحماية ضد تيار القصر(Short Circuit Current)، وهي عبارة ملف مغناطيسي (Magnetic Coil) فعند مرور تيار القصر في الملف ينشأ عنه مجالاً مغناطيسياً فيولد هذا المجال قوةً دافعةً مغناطيسية تتسبب في جذب النقاط المتحركة (Moving Contact) بعيداً عن النقاط الثابتة (Fixed Contact) فيفصل القاطع في زمن قصير جداً يقدر بجزء من الثانية.

شكل رقم (1)

أنواع القواطع:

• القواطع المنمنمة (Miniature Circuit Breaker MCB):

 هي قواطع صغيرة الحجم بالنسبة للقواطع المستخدمة في لوحات التوزيع الرئيسية (MCCB)، وتستخدم لحماية دوائر التوزيع النهائية حيث يكون القاطع أقرب مايكون للأحمال مع توفير التنسيق بينه وبين القاطع الرئيسي.

• سعة المفاتيح  (In) تتراوح مابين (6 – 125) أمبير.

• سعة القصر للمفتاح : (4.5KA, 6KA, 10KA and 15KA).
• يوجد منها ثلاثي الأوجه (3 Phase)، و أحادي الوجه (Single Phase)، كما يظهر في شكل رقم (2).

شكل رقم (2)

وفي حالة القاطع المنمنم MCB تتحدد العلاقة بين تيار العطل (مقاساً بمضاعفاته من التيار المقنن Ir ) وبين زمن الفصل (مقاساً بالثواني) من خلال 3 منحنيات، ويوضح الشكل رقم 3 هذه المنحنيات وهي (B, C, D) طبقاً للمواصفات القياسية العالمية IEC Standard.

• يمكن ملاحظة أنه قبل القيمة 113% من تيار الحمل الكامل فلن يعمل أي قاطع من الفئات الثلاثة وهي ما سوف نسميه المنطقة (I) وتقع يسار كل المنحنيات.
• تأتي بعد ذلك المنطقة الثانية (II) وهي منطقة تشغيل الحماية الحرارية Thermal Protection وتبدأ من 113% وتنتهي مع بداية المنطقة الثالثة  (III).
• والمنطقة الثالثة هي منطقة تشغيل  الحماية المغناطيسية Magnetic Protection وتمتد من يمين المنطقة الرأسية حتى تصل إلى قيمة أقصى تيار قصر يمكن أن يتحمله القاطع وهي قيمة تيار القصر (SCC)، وخلال هذه المنطقة الثالثة التي تسمى “منطقة الفصل اللحظي Instantons Trip” أو الفصل المغناطيسي يفصل القاطع لحظياً وليس بناءً على قيم زمنية مختلفة كما في المنطقة الثانية، أما إذا مر تيار من خلال القاطع وكانت قيمته أعلى من تيار القصر فإن القاطع يحترق فوراً ولايمكن إعادة استخدامه مرة أخرى.

وتختلف البدايات والنهايات باختلاف نوع الفئة على النحو التالي:

• فئة (B): حدود التشغيل للفصل المغناطيسي تتراوح بدايته بين (3 إلى 5) أضعاف التيار المقنن، وهذا النوع يتناسب مع أحمال المقاومة Resistive Loads، مثل: (السخانات، الأفران، ماكينات صنع القهوة).
• فئة (C): حدود التشغيل للفصل المغناطيسي تتراوح بدايته بين (5 إلى 10) أضعاف التيار المقنن وهو مايتناسب مع الأحمال الحثية Inductive Loads، مثل: (الثلاجة، الغسالة، المكنسة الكهربائية، المروحة، وكل جهاز يحتوي على محرك كهربائي).
• فئة (D): حدود التشغيل للفصل المغناطيسي تتراوح بدايته بين (10 إلى 15) أضعاف التيار المقنن وهو مايتناسب مع الأحمال ذات المحاثة العالية Highly Inductive Loads والأحمال ذات تيار البدء العالي، مثل: (المحولات، ماكينات اللحام الكهربائي).

شكل رقم (3)

•  قاطع التيار المقولب (Molded Case Circuit Breaker MCCB):

هذا النوع أكثر تعقيداً في تركيبه من القاطع المنمنم MCB؛ نظراً لقدرته على تحمل تيارات عالية وهذا النوع يتميز عن الذي قبله MCB بالمرونة الواسعة في مجال ضبط العلاقة بين زمن الفصل وقيمة تيار العطل، ويوجد من قاطع التيار المقولب MCCB أكثر من فئة حيث تختلف الفئات فيما بينها في سعة القصر ومدى مرونة الضبط، وعموماً كلما كبرت سعة القصر كلما زود الجهاز بمرونة أكبر حتى نصل إلى فئة قاطع الدائرة الهوائي (ACB) والتي يمكن فيها تغيير ستة متغيرات من قيم الضبط سيتم شرحها في مقال منفصل إن شاء الله.

في الصورة أدناه مثال لقاطع MCCB يحتوي على متغيريين هما (Imag, IThermal)، بينما هناك فئات أخرى تحتوي على متغيرات أقل أو أكثر، وأيضاً يجب التنويه أنه يوجد منه ثلاثي الأوجه فقط (3 Phase)، وأيضاً ذراع الفصل لها 3 أوضاع كما هو واضح في شكل رقم (4)  (ON – OFF – Tripped).

شكل رقم (4)

في هذا النوع وفي قاطع التيار الهوائي ACB فإن تيار القاطع يكون له قيمتان: الأولى تسمى (Frame Size Rating) والثانية تسمى (Trip Current)، وهذا يعني أن القاطع الواحد يمكن ضبط القيم الخاصة به ليتم فصل التيار إذا تجاوز أكثر من قيمة من خلال وحدة تسمى وحدة الفصل Trip Unit، ويجب التنبيه أن الـ Frame Size هو الذي يكتب على القاطع أما الأوراق التصميمية للمشروع يكتب عليها الرقمان، على سبيل المثال إذا وجد CB  في مشروع ما كتب عليه  (630/450A) فهذا يعني أن الـ Frame Size له يساوي (630A) لكنه سيضبط في المشروع على قيمة (450A) .

•  قاطع الدائرة ذو تسريب التيار الأرضي Ground Fault Circuit Breaker (GFCB):

ويسمى أيضاً Residual Current Detector (RCD)، ويسمى كذلك Earth Leakage CB (ELCB)، ويسمى أيضاً Ground Fault Interrupter (GFI) وهذا النوع يستخدم للحماية من التيار المتسرب إلى الأرض في التمديدات الكهربائية، حيث تعتمد فكرته على مقارنة التيار الداخل إلى الدائرة تيار الـطور PHASE في حالة دوائر ذات الطور الأحادي Single Phase أو مقارنة مجموع التيارات الثلاث في دوائر الـثلاثي الطور 3PHASE بقيمة التيار الخارج منها التيار في المحايد NEUTRAL، كما في الشكل رقم (5) فإذا حدث فرق بين التيار الداخل والخارج فذلك دليل على وجود تسريب للتيار خارج الدائرة الكهربائية وهذا الفرق البسيط سوف يتسبب في ظهور فيض (FLUX) في الحلقة المعدنية الداخلية وهذا الفيض سيقطع ملف داخلي مسبباً قوة مغناطيسية تفتح الدائرة.

شكل رقم (5)

لاحظ في الشكل (5) أنه في الظروف الطبيعية عندما يكون مجموع التيارات في الأوجه الثلاثة _المقصود بالطبع هو المجموع الاتجاهي_ مساوياً للتيار الراجع في المحايد Neutral فإن الفيض الناشئ داخل الحلقة المغناطيسية يساوي صفراً، ومن ثم فالدائرة المغذاة من القاطع أسفل الحلقة المغناطيسية S ستظل مغلقة أما إذا حدث أي فرق بينهم أكبر من الحساسية سيتم فتح الدائرة.

مصادر:

1. المرجع في التركيبات والتصميمات الكهربائية للدكتور محمود جيلاني.
2. Low Voltage Switchgear System Training Manual – GE .
3.  EntelliGuard* TU Trip Units Installation, Operation, and Maintenance Manual.
4. Compact NSX Micrologic Electronic Trip Unit.