انواع کلید قدرت

کلید قدرت (دیژنکتور) Circuit Breaker

 منظور از یک کلید قدرت، وسیله­ای است که بتواند مدار الکتریکی فشار قوی را در شرایط عادی شرایط خطا( با زمان تعریف شده محدود) قطع و وصل نماید و در این حالت طوری عمل کند که خود آسیب ندیده و شبکه نیز به نحو مطلوبی کنترل شود.

کلیدهای قدرت برای قطع جریانهای عادی و اتصال کوتاه طراحی می­شوند. آنها مانند کلیدهای بزرگی رفتار می­کنند که توسط شصتی­های محلی و یا سیگنالهای مخابراتی توسط سیستم حفاظت از دور می­توانند باز و یا بسته شوند. بنابراین، کلیدهای خودکار در صورتی که جریان و ولتاژ خط فرکانس و غیره از حد معینی که از پیش تنظیم شده است تنظیم شود، قطع می­گردند.

خصوصیات عمده و مهم کلیدهای قدرت

1.      به هنگام بسته بودن در مقابل عبور جریانهای الکتریکی مقاومت خیلی ناچیزی داشته باشد.

2.      قادر به قطع جریان عبوری باشند.

3.      در مقابل جریانهای شدید از نظر الکتریکی و حرارتی تحمل داشته باشند.

4.      به هنگام قطع کلید در مقابل ولتاژی که در دو سر کلید افت می­کند استقامت عایقی کافی داشته باشد.

5.      قادر به وصل جریان باشد.

6.   به هنگام اتصال کوتاه در شبکه در کوتاهترین زمان ممکن توسط فرمانی که از طریق رله های حفاظتی دریافت می­کند بتواند قسمت معیو.ب را از شبکه ایزوله نموده تا قسمتهای سالم شبکه پایدار مانده و از سرویس خارج نشوند.

1.      کلیدهای قدرت روغنی

2.      کلیدهای قدرت نیمه روغنی

3.      کلیدهای قدرت قطع هوای فشرده

4.      کلیدهای قدرت با محفظه آبی

5.      کلیدهای خلاء

6.       کلیدهای گازی SF6

کلیدهای روغنی Oil Circuit Breaker

در این نوع کلیدها روغن بیشتر وظیفه عایقی را بر عهده دارد و از مکانیزم خاصی برای قطع جرقه استفاده نمی­شود و جرقه در اثر ازدیاد طول حادث از جدا شدن کنتاکتها از بین می­رود. این کلیدها دارای فضای خالی بالای روغن بودند تا در اثر انبساط حجم روغن به علت بخار نشدن روغن در لحظات قطع اتصال کوتاه و بروز جرقه از انفجار جلوگیری می­شود.

در این کلیدها هر چه فشار الکتریکی شبکه بیشتر باشد حجم روغن داخل کلید نیز بیشتر می­شود.

معایب کلیدهای روغنی

1.      حجم و ابعاد بزرگ

2.      حمل و نقل آنها مشکل است

3.      فضای زیادی را اشغال می­کند.

4.      قابل اشتعال بودن آن و در نتیجه خطر آتش سوزی

با توجه به معایب فوق­الذکر و پیشرفت تکنولوژی تغییرات اساسی در ساختمان کلیدهای روغنی بوجود آمد و در نتیجه آن کلیدهای کم روغن طراحی و ساخته شد که دارای قدرت قطع بالاتر و همینطور سرعت عملکرد بالاتری می­باشد.

کلیدهای قدرت نیمه روغنی Min Oil Circuit Breaker

در این کلیدها روغن تنها وظیفه خنک کردن جرقه و خارج کردن یونها را بر عهده دارد و مستقیما وظیفه عایقی بین دو کنتاکت را نخواهد داشت، نتیجتا حجم روغن در این کلید بسیار کمتر از کلید روغمی است. در انی کلید در واقع وحفظه جرقه  حجم کمتری دارد که در اثر حرارت جرقه، روغن موجود در آن بسیار گرم شده و فشار بخار متصاعد شده بسیار بالا می­رود نتیجتا استقامت الکتریکی کنتاکتها در مقابل ولتاژ سیستم و ولتاژ برگشتی افزایش می­یابد، همزمان با زیاد شدن فاصله کنتاکتها با محفظه بندی خاص کلید، روغن به صورت مخصوصی در آن به جریان می­افتد و موجب خنک شدن گازها در محفظه جرقه و خروج یونها از آن می­شود و در فاصله زمانی کوچک اطراف نقطه صفر، جرقه یا قوس خاموش می­شود. بعضی از انواع این کلیدها به پمپ گردش روغن جهت خاموش کردن جرقه یا قوص مروبط به جریانهای کوچک مجهز می­باشند. در این نوع کلید در اثر حرارت جرقه و قوس، روغن تجزیه شده و گاز هیدروژن با قدرت خنک کنندگی بالا تولید می­گردد که در خاموش کردن قوس مؤثر خواهد بود به همین دلیل از این نوع کلیدها به عنوان کلیدهای با عامل مؤثر خاموش کننده داخلی استفاده می­شود.

کلیدهای قدرت قطع هوای فشرده Air Blast Circuit Breaker

 در این کلیدها بعد از ایجاد فاصله کمی ما بین کنتاکتها کلید با دمیدن باد با سرعت بالا، یونها و گازهای داغ از محیط خارج می­شود و با خاموش شدن جرقه به طور همزمان فاصله کنتاکتها افزایش می­یابد و دریچه دمش باد نیز مسدود می­شود. در این کلیدها از انرژی جرقه برای خاموش کردن آن استفاده نمی­شود و هوا توسط کمپرسوری دمیده می­شود این کلیدها معمولا مجهز به خازنهای موازی با کنتاکتها هستند.

این کلید تنها کلیدی است که در آن قدرت قطع مستقل از جریان است ولی در کلیدهای روغنی قدرت قطع تابع شدت جریان قطع است. در کلیدهای هوایی هر جریانی که قطع می­شود مقدار هوای اعمال شده به محفظه قطع مقدار ثابتی است بر خلاف کلیدهای روغنی که از خاموش کننده مایع استفاده می­شود در کلیدهای روغنی از هوای فشرده­ای که از قبل در محفظه ذخیره شده است استفاده می­شود به این ترتیب که به هنگام قطع و وصل کلید و به ازای هر شدت جریان قطع و یا وصل هوای فشرده با فشار حجم ثابتی به داخل خاموش کننده اعمال شده و ضمن ازدیاد طول جرقه و خنک کردن منتاکتها، شرایط لازم را جهت قطع جرقه در می­نماید.

عیب عمده این نوع کلید قطع یا برش جریان قبل از لحظه­ صفر جریان در قطع جریانهای پایین می­باشد که علت آن هم عدم تطبیق قدرت قطع کلید یا جریان قطع اس

کلیدهای قدرت با محفظه آبی Expansion Circuit Breaker

در این کلیدها از آب به عنوان ماده خاموش کننده جرقه استفاده می­شود و در این کلیده ایتدا، حرارت جرقه باعث تبخیر و تجزیه آب می­گردد و با خاموشی جرقه در نقطه صفر جریان، قطرات آب داخل محیط یونیزه پاشیده می­شود که این امر موجب خنک شدن جرقه و جذب یونهای آزاد شده و جرقه حالت خاموشی باقی می­ماند.

یکی از مهمترین مزایای این کلید این است که چون اب داخل محفظه احتراق قابل اشتعال نیست هیچ گونه انفجاری کلید را تهدید نمی­کند.

هر قطب این کلید دارای یک محفظه احتراق مخصوص به خود است که با مقداری آب و ماده ضد یخ پر شده است درمواقع جدا شدن کنتاکتها متحرک و ثابت از هم، یک قوس الکتریکی بین آنها بوجود می­آید که در اثر حرارت زیاد آن، آب داخل محفظه احتراق تجزیه و تبخیر می-شود.

در صورتی که فشار داخل محفظه به علت تراکم گاز از حد معینی تجاوز کند، محفظه احتراق به طرف بالا حرکت می­کند و مقداری گاز داخل محفظه به بیرون راه پیدا می­کند و در آب سرد محفظه تقطیر می­شود. تا موقعی که جریان زیاد است انرژی حرارتی قوس زیاد بوده و می­تواند مقدار زیادی از اب را تجزیه کند، در نتیجه فشار و درجه  حرارت گاز به حدی می­رسد که مانع تجزیه مجدد آب می­شود و یک لایه از اب به صورت گاز مایع پایدار می­ماند. وقتی جریان از صفر می­گذرد انرژی حرارتی قوس قطع می­شود و گازهایی که تا کنون تحت فشار زیاد بودند در اثر حرارت افت کرده و چون گاز دیگری همه به وجود نمی­آید فشار گاز سریعا کم می­شود با سرعت زیاد به داخل قوس الکتریکی رخنه کرده و باعث خنک شدن سریع جرقه می­­شود.

کلیدهای خلاء

اصولا عاملی که باعث هدایت جریان و ایجاد  قوس الکتریکی در هنگام جدا شدن کنتاکتها از یکدیگر می­باشد، حاملهای باردار با یونها هستند، در خلاء کامل چون ماده یونیزه یا حامل باردار وجود ندارد، لذا جدا شدن کنتاکتها به صورت تئوریک می­بایتی بدون ایجاد قوس باشد، البته در عمل به علت تبخیر مختصر سطوحخ کنتاکتها، محیط حامل یونهای باردار، که مناسب برقراری قوی الکتریکی است ایجاد می­شود. با عبور جریان از نقطه صفر، این ذرات معلق فلز، سریعا سرد شده و بر روی کنتاکتها می­نشینند و نتیجتا جرقه خاموش می­شود. در واقع در کلید خلاءاز مقاومت بالای خلاء در مقابل بازگشت ولتاژ و نبود یا کمبود ذرات هادی جریان در فضای ما بین استفاده می­شود.

کلیدهای گازی

در کلیدهای SF6 از گاز SF6 به عنوان عایق ما بین قطعات مختلف و همچنین به عنوان خاموش کننده جرقه یا قوس الکتریکی استفاده می­شود.در حال حاضر کلیدهای SF6 به عنوان مطمئنترین و مناسبترین کلید در شبکه­های فشار قوی شناخته شده و به کار می­روند و می­توان گفت که هیچ یک از کلیدهای دیگر قابلیت رقابت کیفی با این کلید را ندارند. نکته مهم دیگر نیز قیمت اقتصادی این کلیدها است. هم اکنون در شبکه ایران، تمام تقاضاهای جدید این نوع کلید را مدنظر دارند و یکی از شرکتهای داخلی نیز تحت لیسانس یکی از سازندگان معتبر نسبت به ساخت این کلیدها تا سطح KV400 اقدام می­نماید.

ترکیب سولفور هگزا فلوراید(SF6) با اهمال مستقیم گاز فلوئور بر روی گوگرد در سال 1900 در فرانسه انجام شد. در همان سالها، پایداری بالای شیمیایی این گاز تحت قوس الکتریکی مشخص گردید. بعدها از همین خواص در عایقبندی تجهیزات فشار قوی استفاده به عمل آمد.

بر خلاف کلیدهای هوایی و کلیدهای کم روغن که ساختمان آنها تشکیل یافته از کنتاکت ثابت و متحرک، ساختمان کلیدهای گازی در طرح­های مختلفی ساخته می­شوند. ساختمان این کلید تشکیل شده از دو کنتاکت ثابت که متناسب با ولتاژ نامی از هم قرار داشته و ارتباط این دو کنتاکت در حالت وصل توسط موق انگشتانه فلزی برقرار شده به طوری که در هنگام قطع و وصل نیروی مکانیزم عمل کننده به سیلندر متحرک اعمال شده و متناسب با حرکت سیلندر موف اتصالی نیز عمل کرده و عمل قطع و وصل صورت می­پذیرد به طوریکه در لحظه قبل از قطع کلید سیلندر حرکت کرده و گاز بوجود آمده در حد فاصل سیلندر و پیستور ثابت متراکم شده و در لحظه قطع و جدا شدن موف اتصالی از کنتاکت ثابت بالایی( ایجاد جرقه) گاز متراکم شده با فشار از مجرای طرفین به طرف جرقه پاشیده شده و ضمن ازدیاد طول جرقه و خنک کردن کنتاکتها و با توجه به خصوصیاتی که گاز SF6 دارد شرایط لازم را جهت قطع جرقه در لحظه صفر جریان فراهم می­آورد.

لازم به توضیح است که بعد از قطع کلید باید فشار گاز جهت عایقی کافی در حد فاصل کنتاکتها بیشتر از سایر قسمتهای محفظه خاموش کننده باشد.

خواص خاموش کنندگی

SF6 ماده بسیار عالی برای قطع قوس الکتریکی می­باشد. انرژی بالای تجزیه این گاز، قوس را به خوبی خنک می­کند و خاصیت الکترونگاتیوی آن سریعا الکترونهای آزاد را جذب کرده و باعث می-شود تا تحمل ولتاژ بالا ممکن گردد. تحت شرایط مشابه قدرت خاموش کنندگی در SF6 بیش از صد برابر هوا می­باشد.

خواص استقامت الکتریکی

استقامت الکتریکی گاز SF6 تحت شرایط مشابه بیش از دو برابر استقامت عایقی هوا است. خاصیت الکترونگاتیوی گاز SF6 و نقش آن در جمع­آوری الکترونهای آزاد عامل اصلی این قابلیت است. نکته مهم این است که اضافه شدن مقدار کمی گاز SF6، استقامت عایقی هوا را به شدت افزایش می­دهد ولی برعکس اضافه شدن هوا به گاز SF6 تأثیر چندانی بر روی استقامت عایقی ندارد.

سایر خواص فیزیک

SF6 گازی بی بو، بیر نگ، غیر سمی و غیر قابل اشتعال است و وزن ملکولی آن برابر 06/146 می­باشد که 5 برابر سنگینتر از هوا می­باشد. خواص خاموش کنندگی و عایقی آن به دانسیته آن بستگی دارد و به همین جهت از دانسیته سنج در کنترل مقدارگاز در کلید استفاده می­شود. دانسیته مناسب جهت استفاده در اجهیزات فشار قوی در محدوده 25 کیلوگرم بر مترمکعب تا 70 کیلوگرم بر مترمکعب است. برای درجه حرارتهای پایین باید توجه شود که دانسیته گاز به حدی نباسد که در شرایط سرد سبب مایه شدن گاز گردد. مطابق استاندارد، مقدار مجاز نشتی گاز SF6 کمتر از یک درصد در سال می­باشد.

عملکرد تحت شرایط تخلیه الکتریکی

تخلیه الکتریکی سبب تجزیه گاز SF6 می­شود که تحت شرایط عادی قابل برگشت است. 

S+ 6F< = = = => SF6

پس از تجزیه گاز، فعل و انفعالات ثانویه با الکترودهای فلزی تصعید شده ترکیبات گاز یا جامد را بوجود می­اورد. این ترکیبات خود نیز مواد عایقی خوبی هستند لذا رسوب آنها روی مقره از خاصیت عایقی نمی­کاهد. اما در صورتی که رطوبت در محفظه از حد خاصی بالاتر باشد ترکیب هیدروژن فلوراید HF ایجاد می­شود، که این ماده شدیدا هر نوع ماده­ای که شاکل Sio2 باشئ( همانند شیشه و چینی) را مورد آسیب قرار می­دهد لذا حتما باید میزان رطوبت در محفظه در حد پایین نگه داشته شود.

Cuo + 2HF <= = = => CuF2 + H2O

SOF2 + 2HF <= = = => SF4 + H2O€€

استاندارد IEC376 استاندارد مربوط به مشخصات گاز SF6 می­باشد.