تويت
قاطعه تيار كهربايي
Electric circuit breaker - Disjoncteur
قاطعة التيار الكهربائي
تعد القاطعة الكهربائية electric circuit breaker من أكثر الأجهزة الكهربائية استعمالاً في نظم القدرة الكهربائية. وهي جهاز مصمم لإغلاق دارة كهربائية ما، ولتمرير التيار في هذه الدارة وكذلك لقطع الدارة وفصلها عن التوتر الكهربائي عن طريق فتح تماسات متحركة أو إغلاقها، وذلك في شروط العمل والتيارات النظامية أو في ظروف العمل والتيارات غير النظامية عند حدوث الأعطال وظهور تيارات القصر. أما قاطعة القدرة الكهربائية power circuit breaker فإنها تعمل في نظم القدرة الكهربائية وفي شبكات التوتر العالي والتوتر المتوسط التي يزيد توتر عملها النظامي على 1000فولت حسب تعريف الهيئة العالمية للكهرباء international electric committee (I E C).
لمحة تاريخية
تطورت القاطعة الكهربائية مع تطور تقانة صناعة التجهيزات الكهربائية في الدول المتقدمة ومع التقدم العلمي الكبير الذي أحرزته هندسة نظم القدرة الكهربائية. فقد كانت القاطعات الكهربائية من الجيل الأول تتكون من وعاء عازل كبير يحتوي على كمية كبيرة من زيت عازل كهربائي، تتحرك داخله الأقطاب الكهربائية electric poles لقطع التيار وفصل التوتر. وفي الجيل الثاني من القاطعات الكهربائية أصبحت الأقطاب تتحرك ضمن حجرة صغيرة، تسمى حجرة إخماد القوس الكهربائية وتحوي قليلاً من الزيت العازل كما هو مبين في الشكل رقم 2. وظلت هذه القاطعات ذات الزيت القليل تستعمل حتى أواسط الثمانينيات. أما في الجيل الثالث، فقد استبدل بالزيت العازل مادة أخرى أكثر عزلاً هي سادس فلور الكبريت SF6 تملأ بها حجرة إخماد القوس الكهربائية، مما أدى إلى تصغير حجم القاطعات الكهربائية وإلى زيادة تيار القطع وزيادة سرعة القطع كما هو مبين في الشكل رقم 1. كما ظهرت في الفترة نفسها أيضاً قاطعات يستخدم فيها الخلاء المتقدمadvanced vacuum كوسط عازل كهربائي ضمن حجرة الإخماد.
قطع التيار الكهربائي في نظم القدرة
مبدأ عمل القاطعة الكهربائية:
تنتج شرارة كهربائية عند عملية فتح أي دارة كهربائية أو إغلاقها وذلك ما بين نقطتي الفتح أو الإغلاق. وكثيراً ما تتحول هذه الشرارة إلى قوس كهربائية. تستعمل القاطعة الكهربائية لإتمام هذه العملية فتتشكل قوس كهربائية بين قطبي هذه القاطعة. يبدأ تشكل القوس الكهربائية ضمن القاطعة الكهربائية منذ اللحظة التي يتم فيها انفصال القطب المتحرك عن القطب الثابت فيها، وعندها يكون التيار المار في القاطعة كبيراً ولكن فرق الكمون (الجهد) voltage بين القطبين يكون صغيراً. ولا يؤدي هذا الانفصال الصغير بين تماسات الأقطاب pole contacts إلى انقطاع التيار مباشرة لأنه حين تتباعد هذه التماسات تزداد المقاومة الكهربائية بينهما ويزداد بذلك الضياع الحراري في هذه المقاومة مما يؤدي إلى تأين الهواء أو تبخر الزيت بين هذه الأقطاب، وبذلك يصبح الهواء أو الزيت المتأين ناقلاً للتيار، فيستمر جريان التيار ضمن هذا الوسط المتأين وتتشكل بذلك القوس الكهربائية.
ويمكن أن تعد القوس الكهربائية عموداً من الغاز الساخن المتأين، ويكون فرق الكمون بين الأقطاب في بداية عملية الفصل صغيراً. لكنه كاف للمحافظة على القوس الكهربائية. ومع استمرار ابتعاد الأقطاب عن بعضها يصبح فرق الكمون بينها غير كاف للحفاظ على القوس.
تتناسب الناقلية الكهربائية electric conductibility للقوس طرداً مع كثافة الأيونات الحرة التي تنتج من تأين المواد العازلة ـ الهواء أو الزيت أو الغاز ـ بين الأقطاب وحولها، وتتناسب عكساً مع طول القوس الكهربائية وطرداً مع مساحة مقطع القوس (الشكل 1).
وتعتمد الحلول الفنية المختلفة المستخدمة في تقنية القاطعات الكهربائية الآلية على تطويل القوس الكهربائية أو على تنقيص كثافة الأيونات الحرة بين الأقطاب أو على تصغير مساحة مقطع القوس الكهربائية. وتكون عملية إطفاء القوس الكهربائية أسهل في دارات التيار المتناوب AC circuits مقارنة بدارات التيار المستمر DC circuits؛ لأن التيار المتناوب يمر بالقيمة صفر مرتين في كل دورة من دورات موجته. ويتم قطع الدارات الكهربائية بوساطة القاطعات الكهربائية، وذلك بإطفاء القوس الكهربائية التي تتشكل بين أقطاب القاطعة وعلى مرحلتين:
المرحلة الأولى: يتم فيها زيادة قيمة مقاومة القوس الكهربائية حتى قيمة مرتفعة تجعل قيمة التيار المار في الدارة مهملة.
المرحلة الثانية: يتم فيها زيادة عازلية الوسط الذي تتشكل فيه القوس الكهربائية إلى قيمة تجعل إعادة اشتعال القوس الكهربائية بين أقطاب القاطعة مستحيلة عند ظهور فرق الكمون الكهربائي من جديد بين هذه الأقطاب.
ويتم إنجاز عملية زيادة مقاومة القوس الكهربائية عن طريق تطويل القوس إلى أكبر حد ممكن، ويتم إنجاز عملية زيادة عازلية الوسط بين الأقطاب عن طريق إعادة اتحاد الأيونات التي تتولد في القاطعة الكهربائية وتنتج هذه بصورة أساسية من زيادة سرعة ابتعاد الأقطاب عن بعضها وكذلك من زيادة سرعة عودة الأيونات للاتحاد مع بعضها بسبب تبريدها نتيجة لوجود القوس الكهربائية في وسط عازل درجة حرارته أقل بكثير من درجة حرارة هذه القوس.
وتبَرَّد القوس الكهربائية في القاطعات الكهربائية الهوائية أو الغازية ويعاد اتحاد الأيونات مع بعضها بنفخ تيار هوائي أو غازي عبر القوس الكهربائية. وتبرد القوس الكهربائية في القاطعات الزيتية عن طريق تلامس القوس الكهربائية مع الزيت المحيط بالأقطاب ومع الغازات التي تنتج من تحلل هذا الزيت العازل.
المواصفات الفنية للقاطعة الكهربائية
يمكن بوساطتها تحديد مميزات عمل هذه القاطعات وكذلك مكان استخدامها في شبكات نظم القدرة الكهربائية. وتحدِّد هذه المواصفات والمتطلبات نظم المواصفات القياسية العالمية المختلفة مثل نظام الهيئة العالمية للكهرباء IEC standards ونظام المواصفات الألمانية VDE.
ومن أهم المواصفات الفنية والمتطلبات التي يجب أن تحققها القاطعة الكهربائية وفقاً للمواصفات القياسية العالمية، والمتعلقة بمكان عملها واستثمارها، مايأتي:
ـ توتر التشغيل الاسمي rated nominal volatge: ويساوي توتر الشبكة الكهربائية التي تعمل فيها القاطعة الكهربائية، وتراوح قيمته بين 6كيلو فولت و750كيلو فولت في شبكات التيار المتناوب.
ـ تيار التشغيل الاسمي rated nominal current: ويساوي التيار الذي يمر في الشبكة الكهربائية التي تعمل فيها القاطعة الكهربائية في حالة التشغيل النظامية، وتراوح قيمته بين 630أمبير و 6300أمبير.
ـ تيار القطع الاسمي rated breaking current: ويمثل تيار قصر الدارة الكهربائي الذي يمكن أن تتحمله القاطعة الكهربائية وتفصله عن الشبكة. تصل قيمة هذا التيار إلى 25كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 72كيلو فولت، و50كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 400كيلو فولت.
ـ تيار القطع الأعظم rated peak current: ويساوي تيار قصر الدارة الكهربائي الأعظم الذي يمكن أن تتحمله القاطعة الكهربائية وتفصله عن الشبكة. وتصل قيمته إلى 46كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 72كيلو فولت و100كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 400كيلو فولت.
ـ توتر العازلية الذي يجب أن تتحمله القاطعة الكهربائية عند التردد النظامي للشبكة الكهربائية 50هرتز أو 60هرتز ولمدة دقيقة واحدة.
ـ توتر العازلية النبضي الذي يجب أن تتحمله القاطعة الكهربائية عند تطبيق موجة تشابه الصاعقة الجوية عليها. وتحدد نظم المواصفات القياسية العلمية هذه المميزات لكل نوع من القاطعات الكهربائية بحسب توتر عملها.
ومن أهم المواصفات الفنية التي يجب أن تتصف بها القاطعة الكهربائية ما يأتي:
ـ أن تتحمل حالة التشغيل النظامية لمدة طويلة جداً، وهذا يعني أن قطعتي التلامس أو القطبين (الثابت والمتحرك) في القاطعة الكهربائية، يجب أن تتحملا التيار الذي سيمر باستمرار من دون أن ترتفع درجة حرارتهما عن الحد الطبيعي المسموح به.
ـ أن تتحمل تيار قصر الدارة الكهربائية ضمن الحدود المسموح بها من دون أن تتأذى من ذلك.
ـ أن تتمكن من إخماد القوس الكهربائية التي تنشأ عن عملية قطع الدارة أو توصيلها.
ـ أن تقطع الدارة الكهربائية أو تصلها آلياً وذلك لتقصير فترة القطع أو فترة التوصيل.
تصنيف القاطعات الكهربائية:
يمكن تصنيف القاطعات الكهربائية من حيث مبدأ عملها في نوعين:
النوع الأول: يعتمد على زيادة مقاومة القوس الكهربائية وتدعى القاطعة الكهربائية الآلية ذات المقاومة العالية. وتتم زيادة مقاومة القوس عن طريق تبريد القوس أو إطالته أو عن طريق تجزئته.
النوع الثاني: ويعتمد على تبريد القوس الكهربائية من دون اللجوء إلى زيادة مقاومته، وفي هذه الحالة وتقطع الدارة الكهربائية عندما يمر التيار المتناوب بالقيمة صفر أو بقيمة قريبة من الصفر.
كما يمكن تصنيف القاطعات الكهربائية من حيث مكان عملها في نوعين:
ـ القاطعات الكهربائية الخارجية: تركب في العراء مباشرة ويجب أن تتحمل جميع تغيرات الشروط الجوية المحيطة من تقلبات في درجات الحرارة وأمطار ورياح وتلوث، كما هو مبين في الشكل 2.
ـ القاطعات الكهربائية الداخلية: وتركب هذه ضمن أبنية خاصة بحيث لا تؤثر فيها تقلبات الظروف الجوية المحيطة.
كذلك يمكن تصنيف القاطعات الكهربائية من حيث طبيعة المادة العازلة المستخدمة لتبريد القوس الكهربائية وإطفائها في نوعين:
ـ القاطعات الزيتية: ويستخدم فيها الزيت العازل لملء حجرة الإطفاء التي تضم القطبين الثابت والمتحرك والتي تتشكل فيها القوس الكهربائية وذلك لأن الزيت يتصف بمميزات كهربائية جيدة لتبريد القوس الكهربائية وتحمل التوترات العالية.
ـ القاطعات الغازية: ويستخدم فيها الهواء أو الخلاء أو غاز سادس فلور الكبريت SF6 لملء حجرة الإطفاء.
سميح الجابي
Electric circuit breaker - Disjoncteur
قاطعة التيار الكهربائي
تعد القاطعة الكهربائية electric circuit breaker من أكثر الأجهزة الكهربائية استعمالاً في نظم القدرة الكهربائية. وهي جهاز مصمم لإغلاق دارة كهربائية ما، ولتمرير التيار في هذه الدارة وكذلك لقطع الدارة وفصلها عن التوتر الكهربائي عن طريق فتح تماسات متحركة أو إغلاقها، وذلك في شروط العمل والتيارات النظامية أو في ظروف العمل والتيارات غير النظامية عند حدوث الأعطال وظهور تيارات القصر. أما قاطعة القدرة الكهربائية power circuit breaker فإنها تعمل في نظم القدرة الكهربائية وفي شبكات التوتر العالي والتوتر المتوسط التي يزيد توتر عملها النظامي على 1000فولت حسب تعريف الهيئة العالمية للكهرباء international electric committee (I E C).
لمحة تاريخية
| الشكل (1) حجرة إطفاء القوس الكهربائية في القاطعة الغازية |
قطع التيار الكهربائي في نظم القدرة
مبدأ عمل القاطعة الكهربائية:
تنتج شرارة كهربائية عند عملية فتح أي دارة كهربائية أو إغلاقها وذلك ما بين نقطتي الفتح أو الإغلاق. وكثيراً ما تتحول هذه الشرارة إلى قوس كهربائية. تستعمل القاطعة الكهربائية لإتمام هذه العملية فتتشكل قوس كهربائية بين قطبي هذه القاطعة. يبدأ تشكل القوس الكهربائية ضمن القاطعة الكهربائية منذ اللحظة التي يتم فيها انفصال القطب المتحرك عن القطب الثابت فيها، وعندها يكون التيار المار في القاطعة كبيراً ولكن فرق الكمون (الجهد) voltage بين القطبين يكون صغيراً. ولا يؤدي هذا الانفصال الصغير بين تماسات الأقطاب pole contacts إلى انقطاع التيار مباشرة لأنه حين تتباعد هذه التماسات تزداد المقاومة الكهربائية بينهما ويزداد بذلك الضياع الحراري في هذه المقاومة مما يؤدي إلى تأين الهواء أو تبخر الزيت بين هذه الأقطاب، وبذلك يصبح الهواء أو الزيت المتأين ناقلاً للتيار، فيستمر جريان التيار ضمن هذا الوسط المتأين وتتشكل بذلك القوس الكهربائية.
| الشكل (2) قاطعة كهربائية من النوع الخارجي قيد التركيب |
تتناسب الناقلية الكهربائية electric conductibility للقوس طرداً مع كثافة الأيونات الحرة التي تنتج من تأين المواد العازلة ـ الهواء أو الزيت أو الغاز ـ بين الأقطاب وحولها، وتتناسب عكساً مع طول القوس الكهربائية وطرداً مع مساحة مقطع القوس (الشكل 1).
وتعتمد الحلول الفنية المختلفة المستخدمة في تقنية القاطعات الكهربائية الآلية على تطويل القوس الكهربائية أو على تنقيص كثافة الأيونات الحرة بين الأقطاب أو على تصغير مساحة مقطع القوس الكهربائية. وتكون عملية إطفاء القوس الكهربائية أسهل في دارات التيار المتناوب AC circuits مقارنة بدارات التيار المستمر DC circuits؛ لأن التيار المتناوب يمر بالقيمة صفر مرتين في كل دورة من دورات موجته. ويتم قطع الدارات الكهربائية بوساطة القاطعات الكهربائية، وذلك بإطفاء القوس الكهربائية التي تتشكل بين أقطاب القاطعة وعلى مرحلتين:
المرحلة الأولى: يتم فيها زيادة قيمة مقاومة القوس الكهربائية حتى قيمة مرتفعة تجعل قيمة التيار المار في الدارة مهملة.
المرحلة الثانية: يتم فيها زيادة عازلية الوسط الذي تتشكل فيه القوس الكهربائية إلى قيمة تجعل إعادة اشتعال القوس الكهربائية بين أقطاب القاطعة مستحيلة عند ظهور فرق الكمون الكهربائي من جديد بين هذه الأقطاب.
ويتم إنجاز عملية زيادة مقاومة القوس الكهربائية عن طريق تطويل القوس إلى أكبر حد ممكن، ويتم إنجاز عملية زيادة عازلية الوسط بين الأقطاب عن طريق إعادة اتحاد الأيونات التي تتولد في القاطعة الكهربائية وتنتج هذه بصورة أساسية من زيادة سرعة ابتعاد الأقطاب عن بعضها وكذلك من زيادة سرعة عودة الأيونات للاتحاد مع بعضها بسبب تبريدها نتيجة لوجود القوس الكهربائية في وسط عازل درجة حرارته أقل بكثير من درجة حرارة هذه القوس.
وتبَرَّد القوس الكهربائية في القاطعات الكهربائية الهوائية أو الغازية ويعاد اتحاد الأيونات مع بعضها بنفخ تيار هوائي أو غازي عبر القوس الكهربائية. وتبرد القوس الكهربائية في القاطعات الزيتية عن طريق تلامس القوس الكهربائية مع الزيت المحيط بالأقطاب ومع الغازات التي تنتج من تحلل هذا الزيت العازل.
المواصفات الفنية للقاطعة الكهربائية
يمكن بوساطتها تحديد مميزات عمل هذه القاطعات وكذلك مكان استخدامها في شبكات نظم القدرة الكهربائية. وتحدِّد هذه المواصفات والمتطلبات نظم المواصفات القياسية العالمية المختلفة مثل نظام الهيئة العالمية للكهرباء IEC standards ونظام المواصفات الألمانية VDE.
ومن أهم المواصفات الفنية والمتطلبات التي يجب أن تحققها القاطعة الكهربائية وفقاً للمواصفات القياسية العالمية، والمتعلقة بمكان عملها واستثمارها، مايأتي:
| الشكل (3ـ أ) قواطع نظامية داخلية منوعة |
| الشكل (3ـ ب) قاطعة كهربائية ذات توتر نظامي من النوع الداخلي |
ـ تيار التشغيل الاسمي rated nominal current: ويساوي التيار الذي يمر في الشبكة الكهربائية التي تعمل فيها القاطعة الكهربائية في حالة التشغيل النظامية، وتراوح قيمته بين 630أمبير و 6300أمبير.
ـ تيار القطع الاسمي rated breaking current: ويمثل تيار قصر الدارة الكهربائي الذي يمكن أن تتحمله القاطعة الكهربائية وتفصله عن الشبكة. تصل قيمة هذا التيار إلى 25كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 72كيلو فولت، و50كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 400كيلو فولت.
ـ تيار القطع الأعظم rated peak current: ويساوي تيار قصر الدارة الكهربائي الأعظم الذي يمكن أن تتحمله القاطعة الكهربائية وتفصله عن الشبكة. وتصل قيمته إلى 46كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 72كيلو فولت و100كيلو أمبير عند القاطعة التي يبلغ توتر عملها النظامي 400كيلو فولت.
ـ توتر العازلية الذي يجب أن تتحمله القاطعة الكهربائية عند التردد النظامي للشبكة الكهربائية 50هرتز أو 60هرتز ولمدة دقيقة واحدة.
ـ توتر العازلية النبضي الذي يجب أن تتحمله القاطعة الكهربائية عند تطبيق موجة تشابه الصاعقة الجوية عليها. وتحدد نظم المواصفات القياسية العلمية هذه المميزات لكل نوع من القاطعات الكهربائية بحسب توتر عملها.
ومن أهم المواصفات الفنية التي يجب أن تتصف بها القاطعة الكهربائية ما يأتي:
ـ أن تتحمل حالة التشغيل النظامية لمدة طويلة جداً، وهذا يعني أن قطعتي التلامس أو القطبين (الثابت والمتحرك) في القاطعة الكهربائية، يجب أن تتحملا التيار الذي سيمر باستمرار من دون أن ترتفع درجة حرارتهما عن الحد الطبيعي المسموح به.
ـ أن تتحمل تيار قصر الدارة الكهربائية ضمن الحدود المسموح بها من دون أن تتأذى من ذلك.
ـ أن تتمكن من إخماد القوس الكهربائية التي تنشأ عن عملية قطع الدارة أو توصيلها.
ـ أن تقطع الدارة الكهربائية أو تصلها آلياً وذلك لتقصير فترة القطع أو فترة التوصيل.
تصنيف القاطعات الكهربائية:
يمكن تصنيف القاطعات الكهربائية من حيث مبدأ عملها في نوعين:
النوع الأول: يعتمد على زيادة مقاومة القوس الكهربائية وتدعى القاطعة الكهربائية الآلية ذات المقاومة العالية. وتتم زيادة مقاومة القوس عن طريق تبريد القوس أو إطالته أو عن طريق تجزئته.
النوع الثاني: ويعتمد على تبريد القوس الكهربائية من دون اللجوء إلى زيادة مقاومته، وفي هذه الحالة وتقطع الدارة الكهربائية عندما يمر التيار المتناوب بالقيمة صفر أو بقيمة قريبة من الصفر.
كما يمكن تصنيف القاطعات الكهربائية من حيث مكان عملها في نوعين:
ـ القاطعات الكهربائية الخارجية: تركب في العراء مباشرة ويجب أن تتحمل جميع تغيرات الشروط الجوية المحيطة من تقلبات في درجات الحرارة وأمطار ورياح وتلوث، كما هو مبين في الشكل 2.
ـ القاطعات الكهربائية الداخلية: وتركب هذه ضمن أبنية خاصة بحيث لا تؤثر فيها تقلبات الظروف الجوية المحيطة.
كذلك يمكن تصنيف القاطعات الكهربائية من حيث طبيعة المادة العازلة المستخدمة لتبريد القوس الكهربائية وإطفائها في نوعين:
ـ القاطعات الزيتية: ويستخدم فيها الزيت العازل لملء حجرة الإطفاء التي تضم القطبين الثابت والمتحرك والتي تتشكل فيها القوس الكهربائية وذلك لأن الزيت يتصف بمميزات كهربائية جيدة لتبريد القوس الكهربائية وتحمل التوترات العالية.
ـ القاطعات الغازية: ويستخدم فيها الهواء أو الخلاء أو غاز سادس فلور الكبريت SF6 لملء حجرة الإطفاء.
سميح الجابي