مفاتيح القطع و الوصل

مفاتيح القطع و الوصل

مفاتيح القطع  و الوصل

Circuit Breakers

تعريف مفاتيح القطع و الوصل :

تؤدي مفاتيح القطع و الوصل ( Circuit Breakers ) وظيفات هامتان فى نظم حماية القوي الكهربية و هما ان تكون قادرة على فصل اجزاء الشبكة التي بها عطل بسرعة و بأمان اتوماتيكيا و توفر للشبكة وسيلة سريعة لاحتمالية الفصل و اعادة التوصيل مرة اخري عندما يراد فصل بعض اجزاء الشبكة او اعادة تشغيلها و ذلك لعمل الصيانة المطلوبة .

و تتكون مفاتيح القطع و الوصل من جزء معدني يسمي الاقطاب يحمل التيار و يجب ان يتحمل التيار اثناء التشغيل و اثناء مرور تيار القصر ( Short Circuit )  و تتباعد الاقطاب اتوماتيكيا عند مرور تيار القصر بقطع التيار و منعه من الاستمرار حتي لا يؤدي مرور تيار القصر الي الانهيار الكامل لجزء الشبكة الذي يمر به و عندما تتباعد الاقطاب فإن قوس كهربي يظهر بين قطبي مفتاح القطع و الوصل نتيجة لزيادة المجال الحراري لمرور تيار القصر و زيادة المجال الكهرومغناطيسي ايضا مما يتطلب وجود نظام إطفاء لهذا القوس يختلف من مفتاح الي آخر حسب تصميمه .

حيث يتكون القوس من مجموعة من الغازات المتأيئة التي فقدت إلكترون أو اكثر من مدارها الخارجي و تكون الايونات موجبة و كذلك تكون الالكترونات سالبة . تندفع الايونات الموجبة تجاه الالكترون السالب بينما تتحرك الالكترونات تجاه الالكترون الموجب و لكن حركة الالكترونات تكون اسرع نتيجة خفة وزنها مما ينشأ عنه استمرارية مرور التيار .

و لكن يجب أن نعرف انه فى حالة مرور تيار القصر فإنه ينشأ مجالات يؤدي كل منهما الي تكون القوس الكهربي و استمرارية مرور تيار القصر حتي بعد التباعد من قطبي مفتاح القطع و الوصل هذان المجالات مجال حراري و مجال كهربي و عند بدأ ظهور القوس لا بد من توليد الكترونات بين القطبين حتي يتكون القوس و يظل تيار القصر فى تدفقه و هذا يحدث نتيجة لوجود مجالان مصاحبان لتيارالقصر بين القطبين .

المجال الحراري Thermal Emission :

تصل كثافة التيار بين قطبي المفتاح فى حالة حدوث القصر الي حوالي 10 أمبير / سم . مما ينشأ عنه ارتفاع شديد فى درجة الحرارة يدفع الالكترونات نتيجة لاكتساب بعض مكونات الغاز ( غالبا الهواء ) فى الوسط بين القطبين لطاقة حركة ( أيونات موجبة ) فتصدم بجزئيات أخري للغاز لترك المدرات الخارجية للذرات في الوسط الذي به قطبي المفتاح مما يسمح بمرور التيار بين القطبين .

المجال الكهربي Field Emission :

يصل المجال الكهربي بين قطبي المفتاح الي حوالي 10 فولت / سم2 لحظيا فى بداية الفصل حيث يكون الجهد اللحظي ما زال مؤثرا بينما تكون المسافة بين الاقطاب فى بداية الحركة صغيرة جدا كما ان هناك سببا أخري و هو تاثير المجال المغناطيسي لتيار القصر على الوسط الذي يمر به يرفع شدة المجال و يحفز الالكترونات فى الوسط على استمرار القوس و تدفق تيار القصر .

و بالإضافة الي السببين السابقين لتكون القوس فإن انخفاض الضغط بين القطبين يؤدي الي طول مسار حركة الالكترون بين القطبين مما ينشأ عنه أن تتصادم الايونات الموجبة مع مزيد من ذرات الوسط فيؤدي الي تكون المزيد من الالكترونات و يستمر تيار القصر و من التجارب العلمية وجد أن جهد القوس Arc voltage يمكن حسابه باستخدام المعادلة

حيث ان جهد القوس :  طول القوس = L تيار القوس = i ثوابت A , B .

و تلاحظ من هذه المعادلة انه اذا قل التيار فان الجهد يكون اعلي  والعكس صحيح اذا زاد التيار يكون الجهد اقل و يلاحظ ان قيمة الجهد ثابت تقريبا فى الزمن الذي فيه تيار القصر ذات قيمة عظمي و يلاحظ ايضا ان تيار القصر و جهد القوس متفقان فى الطور حيث تبدأ موجة التيار و جهد القوس و تنتهي كل مع الاخر نظرا لأن مسار القوس يحتوي على مقاومة فقط .

 و هناك طريقتان لإطفاء القوس ( Arc Extinction ) و إخماد التيار الناتج منها :

  • إطفاء القوس أثناء مقاومة عالية ( High Resistance Interruption ) يتم الحكم فى القوس بزيادة مقاومته مع الزمن مما يؤدي الي ان يقل التيار و يتم التخلص منه و يمكن تناول ذلك فى حالتين :

الحالة الاولي ( التيار المتردد ) فى هذه الحالة فإن التيار و الجهد عادة ما يكون منطبق كل منها على الآخر و لذلك فإنه عندما يكون تيار القصر يساوي تقريبا صفر فإن قيمة الجهد بين قطبي مفتاح القطع يكون مرتفعا و لكن نظرا لأن الطاقة المفقودة فى القوس الكهربي تكون كبيرة فإن إطفاء القوس بهذه الطريقة يكون قاصرا على مفاتيح الجهد المنخفض و المتوسط دون الجهد العالي .

الحالة الثانية ( التيار المستمر ) تستخدم هذه الطريقة في إطفاء الشرارة فى جميع مفاتيح التيار المستمر الموجودة حتي الآن و يتم زيادة مقاومة القوس بإحدي الطرق الاتية :

  • زيادة طول مسار القوس Lengthening the arc .
  • عمل تبريد للقوس Cooling the arc .
  • تقطيع الشرارة Splitting the arc .
  • إطفاء القوس أثناء مقاومة منخفضة ( Low resistance interruption ) .

هذه الطريقة قاصرة فقط على التيار المتردد و فيها لا يتم زيادة مقاومة القوس ( arc resistance ) بأي من الطرق السابقة و يتم إطفاء القوس عندما تصل قيمة التيار المتردد الي الصفر ( current zero interruption ) و للمساعدة على ذلك تستخدم تقنيات متعددة ترتبط بنوع المفتاح نفسه و تستخدم هذه الطريقة فى مفاتيح القطع ذات القدرة العالية .

  • نظريات إطفاء القوس عند التيار الصفري ( current zero interruption theory ) هناك نظريتان لشرح إطفاء القوس عند التيار الصفري :
  • نظرية معدل الجهد المستعاد The recovery rate theory تشرح هذه النظرية طريقة إطفاء القوس الكهربي عند التيار الصفري فيجب ان يكون معدل تعادل الأيونات المتولدة داخل المسافة بين القطب السالب و الموجب فى دائرة القاطع اكبر من معدل تولدها و يحدث ذلك إذا كان معدل الانهيار للوسط ( شدة العزل ) بين قطبي المفتاح أكبر من معدل ارتفاع جهد إعادة الاشتعال ( restiking voltage ) .
  • نظرية اتزان الطاقة The energy balance theory تعتمد هذه النظرية على انه فى لحظة تولد القوس فان مقاومته تكون فى حدود 10 0 أوم قد تزداد هذه المقاومة فى حالة كون التيار يساوي صفرا إلا ان ارتفاع درجة الحرارة يؤدي الي مرور التيار مرة اخري و للقوس الكهربي خاصية أخري تستخدم فى المساعدة على اخمادة و هي الهبوط فى جهد القوس و بالتالي فان القدرة تكون فى هذه اللحظة تساوي صفرا و المقاومة مالا نهاية . فاذا كانت الحرارة المتولدة تزداد عن الحرارة المتسربة بين قطبي المفتاح فإن ذلك يساعد على ظهور القوس مرة أخري و يمكن منع اعادة اشتعال القوس اما عن طريق تقسيمه او عن طريق استبدال الغاز المؤين بين قطبي المفتاح بواسطة غاز بارد له مقاومة عالية و جهد التيار مرتفع يتحمل الجهد المستعاد للتيار و تستخدم الطريقة الاولي فى قواطع الجهد المنخفض و تستخدم الطريقة الثانية فى قواطع الجهد العالي .

و يمكن تلخيص الطرق المختلفة لإطفاء القوس الكهربي فيما يلي :

  • زيادة طول القوس الكهربي :

و يحدث ذلك عن طريق القوة الناتجة من المجال المغناطيسي بين قطبي المفتاح التي تحرك القوس مما يعمل على إطالته . و يمكن زيادة هذه القوة ( قوة المجال المغناطيسي ) باستخدام ملف يعرف بملف الإطفاء ( Blow – out coil ) .

تقسيم القوس الكهربي :

و يحدث ذلك باستخدام ما يعرف بمقسمات القوس ( Arc splitters ) و هي مجموعة من الالوح القوي المغناطيسية فإن الالواح تقوم بتسريب الحرارة نتيجة لموصوليتها الحرارية ( أكبر من الغازات ) و تنبعث كمية من الغازات من بعض المواد العازلة الموجودة بين الاقواس تساعد على إزالة التأين و إخماد القوس الكهربي .

تعريفات مرتبطة بمفاتيح القطع و الوصل Terins Associated with Circuit Breaking :

جهد إعاد التغطية ( Recovery voltage ) :

يعرف جهد التغطية بأنه الجهد الذي يظهر بين قطبي مفتاح القطع و الوصل عقب إطفاء الشرارة حيث يتحول الجهد من كونه جهد القوس الي جهد الشبكة الموصل عليها المفتاح و لذلك يعرف جهد الشبكة ذات التردد العادي بالقمية المؤثرة ( R . M . S ) على أنه الجهد الذي سيظهر بين قطبي المفتاح عقب إطفاء القوس و يعرف بالـ recovery voltage و قد تحسب بقيمته العظمي .

القيمة العظمي =  القمية المؤثرة .

جهد إعادة إشعال القوس ( Restriking voltage ) يعرف بأنه القيمة اللحظية للجهد المستعان فى لحظة إطفاء القوس و يكون تردده مختلف عن التردد الذي تعمل عنده الشبكة و في حالة المفتاح الثلاثة أوجه فإن الـ ( restriking voltage ) يرجع الي اول وجه تنظفئ عنده الشرارة و ذلك لأن جهد إعادة إشعال القوس فى هذه الحالة يكون اكبر من الجهد المفاجئ على الوجهين الاخرين .

عوامل تؤثر فى قيمة جهد إعادة التغطية ( active recovery voltage ) : –

من هذه العوامل :

  • تأثيرا معامل القدرة The power factor effect .
  • تأثير المجال المغناطيسي لدائرة المولد الكهربي Effect of armature reaction .
  • حالة الدائرة Effect of circuit condition .