کلید های فشار قوی و تجهیزات کلید زنی مبحث ۶
کلید های فشار قوی و تجهیزات کلید زنی
کلیدهای فشار قوی علاوه بر برقراری و ایجاد ارتباط یا جدا سازی بین تجهیزات سیستم های الکتریکی از قبیل ژنراتورها – ترانسفورماتورها – خطوط انتقال - مصرف کننده ها و ... وظیفه ی حفاظت از دستگاه ها و وسایل و سیستم های الکتریکی را در مقابل جریان زیاد - اضافه بار – و جریان های اتصال کوتاه نیز به عهده دارند.
با صرفه نظر کردن از بعضی از حالات خاص کلید های فشار قوی باید قادر باشند تا هر نوع جریانی اعم از جریان های بسیار کم ( از قبیل جریان های شارژ خازنی خطوط و یا جریان های مغناطیس کنندگی ترانسفورماتورهای بدون بار ) تا بزرگترین جریان هایی که ممکن است در اثر بروز اتصال کوتاه در شبکه های الکتریکی ایجاد شوداز خود عبور دهد بدون آنکه اثرات حرارتی و دینامیکی این جریان ها نقصی را در عملکرد کلید ایجاد نماید.البته عمل قطع و وصل کلید ها با هر نوع جریان عبوری از سیستم باید در کوتاه ترین زمان ممکن انجام پذیرد.
با توجه به وظایف کلید های فشار قوی و همچنین توسعه ی شبکه های الکتریکی لازم است که این وظایف دسته بندی شوند تا هر قسمت از این امور توسط نوعی خاصی از کلید ها بر آورده شود.بدین منظور کلید های فشار قوی را می توان بر اساس وظایف آنها به سه دسته ی اساسی تقسیم بندی نمود:
1- کلید های قدرت یا بریکرها circuit breaker
2- کلید های قابل قطع بدون بار یا دیسکانکت ها Disconnect switch
3- کلید های قابل قطع زیر بار یا دیسکانکت های قابل قطع زیر بار Load disconnect switch
هریک از این کلید ها دارای وظایف خاصی هستند که بر اساس این وظایف طراحی و ساخته می شوند.
بریکرها قادر هستند تا هر نوع جریان عبوری از سیستم را در محل کلید تحت هر شرایطی قطع و وصل نمایند.از آنجایی که جریان های عادی و اتصال کوتاه قادرند در زمان جدا شدن یا وصل شدن کنتاکت های کلید جرقه ی شدید ( آرک ) ایجاد کنند لذا این کلید ها باید دارای مکانیزمی به نام مکانیزم خاموش کننده جرقه باشند تا با قطع سریع جرقه ی ایجاد شده مانع از بین رفتن کنتاکت ها و خود کلید گردد.
بدین منظور بریکرها دارای محفظه ای به نام محفظه ی قطع یا اتاقک جرقه هستند تا عمل قطع و وصل کنتاکت ها تحت شرایط خاصی در این محفظه صورت گیرد.
دیسکانکت ها کلید هایی هستند که در زمان عبور جریان الکتریکی امکان قطع و وصل کردن آنها وجود ندارد و تنها قادرند که تحت جریان های بسیار کم شارژ خازنی خطوط یا جریان های بی باری ترانسفورماتورها عمل کنند.با توجه به شرایط مذکور در طراحی این نوع کلید ها نیازی به استفاده از محفظه جرقه نمی باشد.
این موضوع سبب قرار گرفتن کنتاکت های دیسکانکت ها در فضای آزاد می شود تا ضمن قابل رویت بودن مکانیزم باز و بسته شدن آنها به راحتی قابل مشاهده باشند.
کلید های نوع سوم که دیسکانکت های قابل قطع زیر بار نامیده می شوند قادر به قطع و وصل جریان هایی در حد جریان نامی می باشند.لذا این نوع کلید ها مجهز به مکانیزم جرقه گیر هستند و با توجه به این واقعیت که این نوع کلید ها قادر به قطع و وصل جریان هایی بیش از جریان نامی نیستند حفاظت سیستم در مقابل این جریان ها توسط فیوز سری شده با کلید صورت می گیرد.به خاطر گستردگی شبکه های توزیع و فوق توزیع این نوع کلید ها کاربرد زیادی پیدا می کنند.
در ادامه بحث می خواهیم تبیین جداگانه ای از عملکرد این سه نوع کلید و بررسی انواع آنها بکنیم.
کلید های قدرت یا بریکرها:
همانگونه که بیان گردید بریکرها نمونه ای از کلید های فشار قوی هستند که می توانند در مواقع لزوم نه تنها جریان های عادی شبکه بلکه هر نوع جریان اتصال کوتاهی را با هر اختلاف فازی که به سبب ایجاد خطا(فالت) در سیستم ایجاد می شوند سریعا قطع کنند.
این بریکر ها دستور قطع و وصل را از طریق سیستم های کنترلی و یا سیستم های حفاظتی دریافت می کنند.سیستم های کنترلی بیشتر برای انجام مانور در شبکه ها به کار می روند.ولی سیستم های حفاظتی در مواقع بروز خطا به صورت خودکار فرمان قطع را به بریکر ها صادر می کنند.
نحوه ی ایجاد جرقه و بررسی علل نیاز به محفظه جرقه:
قطع و وصل کامل جریان توسط بریکرها نه تنها به عوامل فیزیکی ومکانیکی کلید بستگی ندارد بلکه بیشتر وابسته به نوع و شکل جریان عبوری از بریکرها می باشد.از این جهت لازم است بدون در نظر گرفتن مکانیزم کارکرد بریکر و اعمالی که توسط بریکر بروی جرقه و قوس الکتریکی تحمیل می شود به بررسی تغییرات حاصل بر جریان عبوری از بریکر در موقع قطع یا وصل کلید و اثرات این تغییرات بپردازیم.
در مدارهای اهمی در زمان عبور جریان از صفر ولتاژ جریان رسان u(t) ( ولتاژی که سبب عبور جریان می شود ) نیز به علت هم فاز بودن با جریان از مقدار صفر عبور می کند.لذا پس از قطع جرقه ( در زمان عبور جریان از مقدار صفر ) ولتاژ برگشتی دو سر کلید بلافاصله به مقدار حداکثر خود نمی رسد بلکه به صورت سینوسی از مقدار صفر شروع به تغییراتی می نماید.لذا عمل قطع و وصل در این مدارها به سادگی صورت می گیرد.
حال اگر بار مدار به صورت خازنی عمل کند ولتاژ جریان رسان نسبت به جریان عبوری 90 درجه پسفاز خواهد بود.به عبارت دیگر با عبور جریان از صفر مقدار ولتاژ خازن برابر حداکثر ولتاژ شبکه می باشد.
حال در صورت قطع کلید در زمان t و رسیدن شرایط به نقطه ی عبور جریان از مقدار صفر خازن به مقدار حداکثر ولتاژ شبکه شارژ خواهد شد که این ولتاژ را با قطع جریان از مقدار برگشتی us دو سر تیغه های کلید ( که برابر اختلاف ولتاژ خازن و ولتاژ شبکه می باشد ) از مقدار صفر شروع به زیاد شدن می کند.در نتیجه مشابه مدارهای اهمی ولتاژ برگشتی دو سر کلید از مقدار صفر شروع به زیاد شدن می کند که این امر خاموش شدن جرقه را به شکل مطلوبی مهیا می سازد.
البته با توجه به سرعت بالای زیاد شدن ولتاژ برگشتی امکان خاموش کردن جرقه در بارهای خازنی مشکل تر از بارهای اهمی می باشد.
اکنون قطع مدار را در وضعیت کاملا سلفی بررسی می کنیم.می دانیم که در بار سلفی ولتاژ جریان رسان نسبت به جریان عبوری 90 درجه پیشفاز است.در این حالت با قطع کلید در زمان t و باز شدن تیغه ها قوس الکتریکی ایجاد شده بین دو تیغه ی مدار جریان را در حالت بسته نگه می دارد تا جریان الکتریکی مسیر عادی خود را طی کند.چون اختلاف ولتاژ دو سر قوس نمی تواند باعث تغییرات اضافی جریان شود لذا جریان با همان شدت و کیفیت سابق از مدار سلفی عبور می کند.اما به محض عبور جریان از صفر جریان الکتریکی قطع شده و قوس الکتریکی خاموش می شود.لذا در همین لحظه افت ولتاز دو سر سلف از بین رفته و حداکثر ولتاژ شبکه بین دو کنتاکت قطع کلید ظاهر می شود.این ولتاژ که همان ولتاژ برگشتی است باعث ایجاد مجدد جرقه بین دو کنتاکت شده و برقرراری دوباره جریان را مهیا میسازد.آنچه گفته شد بسیار مشکل است که یک کلید فشار قوی بتواند یک جریان کاملا سلفی را قطع کند زیرا با توجه به آنکه ولتاز برگشتی us در زمان عبور جریان از صفر به مقدار حداکثر خود رسید جرقه مجددا روشن می شود.
این وضعیت برگشتن جرقه را به همراه خواهد داشت.حتی اگر بخواهیم گازهای داغ ناشی از جرقه ی قبلی را به شکلی خارج کنیم تا عمل برگشت جرقه متوقف گردد باید تخلیه گازها در زمان بسیار کوتاهی صورت بگیرد که این کار عملا غیر ممکن است.علت این موضوع آن است که این کار باید در مدت زمانی که هنوز ولتاژ برگشتی ایجاد نشده و یا هنوز به حداکثر مقدار خود نرسیده صورت گیرد.
بررسی علل نیاز به محفظه جرقه:
عملا در شبکه های الکتریکی به علت عدم وجود جریان های سلفی خالض و در عوض وجود بارهای اهمی-سلفی و نیز وجود جریان های خازنی در شبکه ولتاژ بین دو کنتاکت کلیدها در موقع صفر شدن جریان نمی تواند به یکباره حداکثر مقدار خود را پیدا کند.با توجه به اینکه برگشت جرقه نیاز به زمان دارد و در لحظه ی صفر شدن جریان نیز ولتاژ برگشتی بسیارکمتر از مقدار حداکثر آن می باشد.در نتیجه می توان از همین فرصت کوتاه جهت خاموش کردن جرقه استفاده نمود.از مهمترین راه های خاموش کردن جرقه ازدیاد فاصله بین دو کنتاکت قطع کننده و استفاده از عواملی جهت خنک کردن مدار جرقه می باشد.لذا برای خنک کردن مدار جرقه نیاز به یک محفظه جرقه می باشد که همزمان با عمل جدا شدن کنتاکت ها در آن عمل خنک سازی گرمای ناشی از جرقه نیز انجام شود.
ویژگی های مشترک انواع بریکرها
بریکرها از هر نوعی که باشند عمدتا دارای قسمت های مهم زیر می باشند:
الف)- مکانیزم خاموش کننده ی جرقه Arcing Chamber:همانگونه که در قسمت های قبل گفتیم تمام بریکرها نیازمند محفظه ی جرقه می باشند تا خاموش کردن جرقه در آن صورت گیرد.با توجه به روش های مختلف در خاموش کردن جرقه مکانیزم های مختلفی ایجاد می شوند که در بحث های آینده در پست های بعدی به این روش ها اشاره می گردد.
ب)- کنتاکت های اصلی بریکر:در تمام بریکرها از کنتاکت های اصلی که در دو نوع کنتاکت های ثابت و متحرک می باشند استفاده می شود.
ج)- مکانیزم عملکرد بریکر breaker operating mechanism:برای عملکرد بریکرها به نیرویی نیاز است تا کنتاکت های متحرک از کنتاکت های ثابت جدا شوند.ایجاد این نیرو به روش های مختلفی امکان پذیر است که تحت عنوان مکانیزم عملکرد بریکر بعدا توضیح می دهم.
د)- سیم پیچ های قطع و وصل: به منظور ایجاد فرمان های قطع و وصل بریکر از دو سیم پیچ قطع trip coil و سیم پیچ وصل closing coil استفاده می شود.برای ایجاد فرمان قطع یک ولتاژ DC به سیم پیچ قطع برای ایجاد فرمان وصل نیز یک ولتاژ DC به سیم پیچ وصل اعمال می گردد.با تغذیه هرکدام از این سیم پیچ ها مکانیزم عملکرد برای قطع یا وصل کلید فعال می شود.
ه)- کنتاکت های کمکی ( فرعی ): به منظور مسخص کردن قطعی باز یا بسته بودن قطعی بریکرها از یک سری کنتاکت های کمکی استفاده می شود که در دو حالت عادی باز و عادی بسته به کار می روند.این کنتاکت ها با کنتاکت های اصلی درگیر می شوند تا با عملکرد کنتاکت های اصلی آنها نیز تغییر وضعیت دهند.به عنوان مثال اگر بریکر در حالت باز با فرمان وصل شروع به بسته شدن کند آنگاه کنتاکت های کمکی باز بسته شده و کنتاکت های بسته نیز باز می شوند.از این کنتاکت ها در مدارهای کنترل و حفاظت – مدارهای هشدار دهنده – و مدارهای نشان دهنده وضعیت بریکرها به شکل گسترده ای استفاده می شود.
و)- مدارهای کنترل کننده ی بریکر: این مدارها در داخل تابلوی کنترل بریکر نصب می شوند و وظیفه ی کنترل خصوصیات و شرایط عملکرد بریکر را در حالات و وضعیت های مختلف بر عهده دارند.