5. شرح اجهزة القطع وانواعها Circuit Breakers & Switches

1- مقـــدمة :

تختلف أجهزة القطع Circuit breaker عن المفاتيح Switch  فى أنها يمكنها فتح أو غلق الدائرة فى ظروف التشغيل العادية كذلك فى الحالات الخطيرة فى التشغيل مثل حدوث قصر  والذي ينتج عنه قيم عالية للتيار المار فى الدائرة يمكن أن يصل إلى عشرة أمثال القيمة المقننة للتيار فى الدائرة وكذلك زاوية طور التيار تكون قليلة (أقل من 0.1 ).  ويتم الفصل خلال زمن قليل جدًا ، وفى الآونة الحديثة ، قد يصل إلى زمن 40 أو 60 مللي ثانية .


ويتم فصل الدائرة الكهربية عند طرفي تلامس أقطاب أجهزة القطع والتى يتكون عندها قوس كهربي نتيجة ارتفاع درجة الحرارة وتأين الوسط المحيط والذي يتم إخماده بطرق متعددة مثل تبريد القوس الكهربي أو إطالته أو تجزئته .


2- القيم المقننة لأجهزة القطع 


2-1  التيار المقنن Rated Current     

وهو قيمة التيار  الفعال ( جذر متوسط المربعات) Root mean square value of current  التى يمكن أن يمر فى الدائرة باستمرار بدون حدوث ارتفاع فى درجة حرارة لأي من المكونات عن الحدود المسموح بها. 


2-2  تيار الفصل المقنن Rated Breaking Current 

يوضح شكل رقم (1) موجة التيار المار فى دائرة عند حدوث قصر . تتكون هذه الموجه من مركبتان ، مركبة التيار المستمرة d.c. component وتتضاءل قيمتها مع الزمن ، ومركبة التيار المتردد a.c. component وسعة هذه الموجه تتضاءل أيضا نتيجة تغير قيمة الممانعة للمولد وفي حالة اعتبار أن المقاومة resistance فى الدائرة تساوي صفر فإن أعلى قيمة لمركبة التيار الثابت تساوي: 

I d.c = √ 2  Vph / X

Vph : Phase voltage of supply ( r.m.s. value ) جهد الوجه للمصدر الكهربي (المولد )

X   : Reactance قيمة المفاعلة من مصدر الجهد إلى نقطة حدوث القصر

I a.c. = Vph / X قيمة مركبة التيار المتردد الفعالة

وبذلك تكون القيمة الكلية للتيار (r.m.s.) 

I b = √ (√2 Vph / X )2 + (Vph / X )2  =   √ 3 Vph / X


وهي قيمة متغيرة نتيجة تغير المفاعلة X للمولد وتثبت القيمة مع ثبات قيمة X بعد عدد معين من الدورات (cycles ) ويكون تيار الفصل هو قيمة التيار لحظة فصل أقطاب جهاز القطع . ولأغراض التصميم تقدر هذه القيمة بـ (1.6) × Vph / X

2-2  تيار الفصل المقنن Rated Breaking Current

شكل (1)


2-3 تيار الذرة الأولي Rated making current I m 

يمر هذا التيار فى الدائرة بعد حوالي ربع دورة ويمثل ذروة الموجة الأولي لتيار القصر المار فى الدائرة . وهو ذو قيمة عالية تقدر بمجموع التيار المستمر فى البداية و مركبة التيار المتردد تيار الذروة ( Peak value) يساوي:

I m =  √2 Vph / X  +  √2 Vph / X  =  2 √2 Vph / X
  

وفى الغالب تؤخذ قيمة 1.8 بدلا من 2 (Doubling effect ) للسماح بانخفاض قيمة التيار خلال ربع الدورة .


2-4 تيار القصر المقنن Rated short circuit current 

هو أقصي قيمة لتيار القصر والذي يمكن أن يمر فى أجهزة القطع لمدة ثانية واحدة بدون حدوث أي تلفيات فى الجهاز .


2-5 سعة القطع Circuit Breaker Breaking Capacity 

تقدر هذه القيمة لأجهزة القطع ثلاثية الأوجه كالآتي :

MVA b = 3 V  I b  

Where , 

V : rated system voltage in KV

Ib : rated r.m.s breaking current in KA

3- أنواع أجهزة القطع Types of Circuit breakers


3-1 قاطع الهواءAir Circuit breaker 

هذا القاطع يتم فيه فتح الدائرة وإطفاء القوس الكهربي الناتج ، وعزل الملامسات عن بعضها البعض فى الهواء العادي ويستخدم هذا النوع فى شبكات الجهد المنخفض (low - voltage) والتى يمر تيار حمل (load current) بحد أقصي 3000 أمبير.  وهذا النوع من القواطع يتميز بالبساطة وسهولة الصيانة ( لا يحتوي على زيت معرض للتلوث ) وللمساعدة على سرعة إطفاء القوس الكهربي تستخدم على سبيل المثال فواصل Splitter كما هو موضح فى شكل رقم (2).


3-2 قاطع بملامسات في الزيت Oil circuit breaker

شكل (2)


3-2 قاطع بملامسات في الزيت Oil circuit breaker

في هذا القاطع تفتح الملامسات ويطفأ القوس تمامًا في زيت موضوع داخل إناء مؤرض  (شكل رقم 2) وتساعد الحرارة الناتجة من القوس الكهربي على تبخر الزيت المحيط وعلى  زيادة طاقة القوس الكهربي زاد ضغط الغازات الناتجة وينقسم هذا النوع من القواطع إلى نوعين طبقًا لكمية الزيت المستخدمة إلى :- 


أ)  قاطع بملامسات فى زيت غزير Bulk Oil Circuit Breaker

فائدة الزيت في هذا النوع هو العزل بالإضافة إلى إطفاء القوس الكهربي ويتم إطفاء القوس بين الملامسات فى الزيت بصورة طبيعية Plain -  break circuit breaker شكل رقم (3) أو من خلال التحكم فى القوس شكل رقم (4) Bulk oil circuit breaker with arc control devices والنوع الأول يستخدم فى الجهد المنخفض أما النوع الثاني فيستخدم فى الجهد المتوسط والعالي . ويتم فه إطفاء القوس فى وعاء (explosion pot ) وينتج عن القوس الكهربي غازات تسبب دوامات فى زيت الوعاء فيندفع إلى الخارج مما يؤثر على القوس ويعمل علي إطفاءه .


أ)  قاطع بملامسات فى زيت غزير Bulk Oil Circuit Breaker

شكل (3)


Bulk oil circuit breaker with arc control devicesBulk oil circuit breaker with arc control devices

شكل (4)

ب) قاطع بملامسات فى زيت قليل Minimum oil circuit breaker

يتم إطفاء القوس الكهربي فى وعاء به كمية قليلة من الزيت شكل (5) يوضح هذا النوع وتستخدم هذه القواطع فى جهود تتراوح بين 33 ، 132 ك ف وسعة قطع ما بين 1500 - 5000 ميجا فولت أمبير .




شكل (5)


ب) قاطع بملامسات فى زيت قليل Minimum oil circuit breaker

3-3 قاطع يعمل بدفع الهواء Air blast circuit breaker 

يتم هذا النوع من القواطع فتح الملامسات وإطفاء القوس بواسطة تيار هوائي أو بواسطة هواء مضغوط يدفع إما رأسيًا أو عرضيًا مما يسبب إطالة القوس وإبعاد الهواء المؤين .


و الملحق يبين رسم تخطيطي لهذا النوع. ويتميز هذا النوع من القواطع بعدة مميزات منها قلة زمن القوس الكهربي وسرعة الفصل ونقص معدل تآكل الملامسات نتيجة عمليات الفتح والغلق وسهولة الصيانة وإن كان استخدام الهواء المضغوط يرفع من تكلفة القاطع نسبيًا. كذلك ينتج عن هذه القواطع عند التشغيل ضوضاء لذلك فهي غير مناسبة للمناطق السكنية أو يتم استخدام وسيلة لتقليل الضوضاء المنبعثة منها. ويمكن أن تستخدم هذه القواطع لجهد حتى 110 ك . ف ، كما يمكن استخدامها لجهد أعلي من ذلك ولكن بتصميمات خاصة.


3-4 قاطع يحتوي على غاز سادس أكسيد الكبريت S F 6 circuit breaker

غاز سادس أكسيد الكبريت Sulfur hex fluoride له خواص ممتازة فى العزل وإطفاء القوس الكهربي لذلك أنتشر استخدامه فى الآونة الأخيرة فى أجهزة القطع Gas insulated Switchgear GIS  . وتوجد أنواع عديدة من هذه القواطع وشكل رقم (6) يوضح أحد هذه الأنواع .


شكل (6)



قاطع يحتوي على غاز سادس أكسيد الكبريت S F 6 circuit breaker


3-5 قاطع مفرغ من الهواء Vacuum circuit breaker

شكل رقم (7) يوضح رسم تخطيطي لهذا النوع من القواطع ويتميز بصغر المسافة بين الملامسات. لذلك تكون القدرة اللازمة للفتح أو الغلق صغيرة بالنسبة للأنواع الأخرى من القواطع كذلك هذا النوع من القواطع مناسب لقطع أو وصل التيارات الحثية وتيارات المكثفات inductive and capacitive currents .


قاطع مفرغ من الهواء Vacuum circuit breaker

التركيب الداخلي





قاطع مفرغ من الهواء Vacuum circuit breaker


ملامسات التيار



شكل (7) : قاطع مفرغ


3-6 قواطع استاتيكية Solid -  State circuit breakers  

يمكن بواسطة هذا النوع من القواطع فصل الدائرة خلال نصف دورة وهذه السرعة العالية نتيجة عدم احتوائها على أي أجزاء متحركة كذلك يمكن التحكم فى لحظة القطع أو الوصل وبذلك يمكن تجنب الجهود الزائدة عند عمليات الفصل .




3-7 قواطع لدوائر التيار المستمر Direct current circuit breaker

مع زيادة الحاجة إلى استخدام خطوط النقل ذات التيار المستمر اصبح من الضروري تطوير قواطع خاصة بالتيار المستمر وقاطع الدائرة ذو ملامسات فى الهواء يمكن استخدامه فى حالة الجهد المنخفض أما فى حالة الجهد العالي فتستخدم دوائر مساعدة لتقليل قيمة التيار إلى صفر تدريجيًا لإطفاء القوس الكهربي . وفى عام 1985 تم إنتاج قواطع لدوائر تيار مستمر جهد 500 ك ف وتيار قصر 2200 أمبير.


4- المفاتيح 

الملحق يبين مجموعة متنوعة من المفاتيح موضحا تعريف و استخدام كل منها.

4-1 مفاتيح التأريض Earthing Switches      

بصفة عامة يوجد نوعان لمفاتيح التأريض :

  • مفتاح تأريض  بطئ Slow -  operating earthing switch 
  • مفتاح تأريض سريع Fast -  closing (high - speed ) earthing

والنوع الأول والأكثر شيوعًا يستخدم فى حالة إجراء تأريض لغرض الحماية وبشرط أن تكون التغذية الكهربية مفصولة عن النقطة التى يتم التأريض عندها ، كما فى حالة إجراء الصيانة مثلا والنوع الثاني من المفاتيح مصمم للغلق تحت ظروف التشغيل العادية أي يتحمل تيار القصر  وجهد التشغيل . وي تقدر هذه القيمة فصل الدائرة من خلال أجهزة الحماية نتيجة مرور تيار القصر ويستخدم فى حالات محدودة فقط .


4-2 مفاتيح العزل Isolators      

تستخدم هذه المفاتيح لفتح الدائرة أو التوصيل بين نقطتين بشرط فصل التغذية الكهربية ( الجهد يساوي صفر بين طرفي المفتاح ) .