برق قدرت

کلیدها وسیله ارتباط سیستمهای مختلف هستند و باعث عبور و یا قطع جریان می‌شوند و باید مشخصات زیر را دارا باشند:

1) در حالت قطع دارای استقامت الکتریکی کافی و مطمئن در محل
قطع شدگی است.

2) در حالت وصل باید کلید در مقابل کلیه جریانهایی که امکان عبور آن در مدار است, حتی جریان اتصال کوتاه, مقاوم و پایدار باشد و این جریانها و اثرات ناشی از آن نباید کوچکترین اختلالی در وضع کلید و هدایت صحیح جریان بوجود آورد.

کلیدهای فشار قوی را می‌توان بر حسب وظایفی که به عهده دارند به انواع مختلف زیر تقسیم نمود:

1) کلید بدون بار یا سکسیونر

2) کلید قابل قطع زیر بار یا سکسیونر قابل قطع زیر بار

3) کلید قدرت یا دیژنکتور

1-9) کلید بدون بار (سکسیونر) : (Disconnecting switch)

سکسیونر وسیله قطع و وصل سیستمهایی است که تقریباً بدون جریان هستند به عبارت دیگر سکسیونر قطعات و وسایلی را که تحت ولتاژ هستند از شبکه جدا می‌سازد. "تقریباً بدون بار" بدان معنی است که می‌توان به کمک سکسیونر جریانهای کاپاسیتیو مقره ها, ماشینها و تاسیسات برقی و کابلهای کوتاه و همینطور جریان ترانسفورماتور ولتاژ را نیز قطع نمود و یا حتی ترانسفورماتورهای کم قدرت را با سکسیونر قطع کرد.

 علت بدون جریان بودن سکسیونر در قطع یا وصل, مجهز نبودن سکسیونر به وسیله جرقه خاموش کن است. لذا بطور کلی می‌توان نتیجه گرفت که عمل قطع و وصل سکسیونر باید بدون جرقه یا با جرقه ناچیزی صورت گیرد.

سکسیونر باید طوری ساخته شود که در اثر جرم و وزن تیغه یا فشار باد و برف و غیره خود به خود بسته نشود. یا در موقع بسته بودن کلید نیروی دینامیکی شدیدی که در اثر عبور جریان اتصال کوتاه بوجود می‌آید باعث لرزش تیغه یا احتمالاً باز شدن آن نگردد.

از این جهت در موقع شین کشی و نصب سکسیونر باید دقت کرد تا تیغه سکسیونر در امتداد شین قرار گیرد و بدینوسیله از ایجاد نیروی دینامیکی حوزه الکترومغناطیسی جریان اتصال کوتاه جلوگیری بعمل آید.

به همین منظور تیغه سکسیونر بصورت تسمه یا پروفیلهای موازی ساخته می‌شود تا نیروی الکترو دینامیکی حاصل از جریان اتصال کوتاه باعث فشردن هر چه بیشتر تیغه در محل کنتاکت دهنده باشد و از لرزش آن که باعث کوچک شدن سطح تماس می‌گردد جلوگیری شود. همینطور مقره‌هایی که پایه سکسیونر را تشکیل میدهند باید قادر به تحمل فشار وارده در اثر نیروی کششی الکترومغناطیسی دو فاز مجاور و مربوط به یک فاز در زمان عبور جریان اتصال کوتاه باشند.

1-1-9) انواع سکسیونر:

1) سکسیونر تیغه ای

2) سکسیونر کشوئی

3) سکسیونر دورانی

4) سکسیونر قیچی ای

1) سکسیونر تیغه ای:

این سکسیونرها که برای ولتاژهای تا KV 30 بصورت یک پل و سه پل ساخته می‌شوند دارای تیغه یا تیغه‌هایی هستند که در ضمن قطع کلید عمود بر سطح افقی (در سطح محور پایه ها) حرکت می‌کنند و در بالای ایزولاتور (پایه) قرار می‌گیرند. تیغه‌ها در جریان کم بصورت تسمه و در جریانهای زیاد بصورت پروفیل و از مس ساخته می‌شوند و در هر حال تیغه‌ها بخاطر جلوگیری از ارتعاشات کلید در موقع عبور جریان اتصالی کوتاه بطور دو تایی و موازی نصب می‌شوند.

قطع و وصل کلید ممکن است دستی توسط اهرم و یا موتوری و از راه دور و یا کمپرسی با هوای فشرده انجام شود.

سکسیونر تیغه ای برای فشار قوی بصورت یک پل ساخته می‌شود و فرمان قطع و وصل آنها عموماً با کمپرس هوای فشرده انجام می‌گیرد.

2) سکسیونر کشویی:

سکسیونر کشویی برای کیوسک یا قفسه‌هایی که دارای عمق کم هستند بسیار مناسب است. در این سکسیونر تیغه متحرک در موقع قطع در امتداد خود (در امتداد سطح افقی یا عمود بر سطح محور پایه ها) حرکت می‌کند و بدین جهت فضای اضافی برای تیغه در حالت قطع از بین می‌رود. برای جریانهای خیلی زیاد که هر قطب از چندین تیغه موازی تشکیل می‌شود. سکسیونر کشویی دارای این مزیت است که می‌توان تیغه‌ها را بصورت لوله ساخت و در داخل هم جای داد. این طریقه باعث می‌شود که جریان در لوله‌ها که داخل هم قرار دارند بهتر از تیغه های پهلوی هم تقسیم شود.

2-1-9) انتخاب سکسیونر از نظر نوع و مشخصات:

نوع سکسیونر بستگی به طرز شکل و طرز قرار گرفتن شینها و شمش بندی شبکه و محلی که باید سکسیونر در آنجا نصب شود دارد. مشخصات سکسیونر بستگی به مشخصات فنی و الکتریکی شبکه دارد.

مشخصات مهم یک سکسیونر که گویای مشخصات فنی و استقامت الکتریکی و دینامیکی آن می‌باشد عبارتند از :

1) ولتاژ نامی

2) جریان نامی

3) جریان اتصالی کوتاه ضربه ای مجاز

4) جریان اتصالی کوتاه, کوتاه مدت

2-9) کلید قابل قطع زیر بار:

به علت اینکه در بیشتر شبکه‌ها و پستهای کوچک, کلید قدرت و سکسیونر و وسایل اضافی مربوط به چفت و بست آنها مبالغ زیادی از مخارج و هزینه کل تاسیسات را شامل می‌گردد و بعلت اینکه در اغلب موارد نصب کلید قدرت با مزایای قطع و وصل سریع آن حتماً لازم و ضروری نیست, کلید سکسیونر قابل قطع زیر بار مطرح و ساخته شد.

کلید فشار قوی قابل قطع زیر بار در ضمن اینکه باید وظیفه یک سکسیونر را انجام دهد, یعنی در ضمن برداشتن ولتاژ یک قطع شدگی قابل رویت و مطمئن در مدار شبکه فشار قوی بوجود آورد, باید قادر باشد مانند یک دیژنکتور, قدرتهای کوچک الکتریکی را نیز قطع کند. لذا هر سکسیونر قابل قطع زیر باری باید دارای وسیله ای برای قطع فوری جرقه باشد. اساس کار خاموش کردن جرقه در این محفظه همانند کلید قدرت با گاز جامد است. سکسیونر قابل قطع زیربار اصولاً دارای قدرت وصل بسیار زیاد است و می‌تواند جریانهای با شدت KA 75-25 (ماکزیمم موثر) را بخوبی وصل کند ولی قطع آن کم و ازA1500-400 یعنی در حدود جریان نامی آن تجاوز نمی کند. لذا نتیجه می‌شود که کلیدها برای قطع جریان اتصال کوتاه ساخته نشده و مناسب هم نمی باشند.

 به همین دلیل در صورتی می‌تواند سکسیونر قابل قطع زیر بار در شبکه فشار قوی مورد استفاده قرار گیرد که این کلید مجهز به قطع کننده جریان اتصال کوتاه گردد و یا اینکه جریان اتصال کوتاه شبکه از قدرت قطع کلید تجاوز نکند.

برای اینکه بتوان از این کلید در شبکه‌هایی که جریان اتصال کوتاه احتمالی آن بیش از قدرت قطع کلید است استفاده شود باید جریان قطع کلید توسط فیوز محدود و مهار شود. لذا در اینگونه مواقع به همراه کلید از فیوز فشار قوی قدرت زیاد که در 6 تا 20 هزار ولت دارای قدرت قطعی در حدود MVA400 می‌باشند و جریان اتصال کوتاه را در همان مراحل ابتدایی قطع می‌کنند‏ استفاده می شود.

پس سکسیونر قابل قطع زیر بار فقط برای قطع جریان نامی شبکه مناسب است و جریان اتصال کوتاه را فیوز قطع می‌کند نه کلید.

از آنچه که گفته شد نتیجه می‌شود: بطور کلی در تمام مواقع که نصب سکسیونر و کلید قدرت مقرون به صرفه نباشد و قدرت اتصال کوتاه شبکه به حدی باشد که بتوان فیوز معادلی برای آن بدست آورد بهتر است از سکسیونر قابل قطع زیر بار استفاده شود.

البته به شرطی که فرمان وصل فوری کلید مورد نظر نباشد.

جدول زیر مشخصات سکسیونر قابل قطع را نشان می‌دهد:

3-9) کلید قدرت یا دیژنکتور: :(Circuit Breaker)

دیژنکتور کلیدی است که می‌تواند در موقع لزوم جریان هادی شبکه و در موقع خطا جریان اتصال زمین و یا هر نوع جریان با هر اختلاف فازی را سریع قطع کند.

در اتصال سه فاز که حالت خاصی از بار متعادل است با اینکه فرمان قطع به هر سه قطب کلید یکجا. در یک زمان داده می‌شود, ابتدا فقط یکی از قطبها که جریان آن اول مرتبه از صفر می‌گذرد قطع می‌شود.

در این لحظه اتصال کوتاه سه فاز تبدیل به یک اتصال کوتاه دو فاز می‌شود که پس از گذشت پریود جرقه در این دو قطب همزمان از بین می‌رود و اتصالی قطع می‌گردد.

زمان خاموش شدن جرقه در دو قطب بعدی معادل صفر شدن جرقه با نقطه 2 مشخص شده است. در یک شبکه با صفر آزاد نقطه 2 مشخص شده است. در یک شبکه با صفر آزاد نقطه اتصال کوتاه شده K که قبل از خاموش شدن جرقه فازR مرکز صفر ستاره را تشکیل می‌داد, بعد از خاموش شدن جرقه در فازR از مرکز ستاره MP به نقطه  K در وسط بردار همبستگی ولتاژ ST نقل مکان می‌یابد.

در نتیجه ولتاژ دو سر قطبی از کلید که جرقه آن زودتر از قطبهای دیگر خاموش شده به مقدار ماکزیمم   uy5/1 می‌رسد. که البته این ازدیاد ولتاژ آنقدرها در استحکام کلید موثر نیست. ولی جرقه طولانی‌تر در دو قطب دیگر در استقامت الکتریکی و حرارتی کلید بسیار موثر واقع می‌شود. در یک شبکه با نقطه صفر زمین شده, اگر اتصال سه فاز با تماس در یک شبکه با نقطه صفر زمین شده ایجاد شود, پس از خاموش شدن جرقه در یکی از فازها یعنی قطع یکی از اتصالی‌ها با زمین, ولتاژ بین دو کنتاکت آن قطب ازuy تجاوز نمی کند. اگر اتصال کوتاه در نقطه دوری از کلید در شبکه باشد, ممکن است در موقع قطع کلید برگشت ولتاژ uw (ولتاژ ضربه ای که با نوساناتی به ولتاژ اصلی با فرکانس 50 منتهی می‌شود) در تحت شرایط خاصی با ضریب زاویه زیاد شروع نوسان می‌کند. (شروع جهش آن عمودی می‌باشد) در این حالت فاصله بین دو قطب کلید بیشتر تحت تأثیر ولتاژ قرار می‌گیرد تا جریان, و طبیعی می‌باشد در صورتیکه در شبکه با اختلاف فاز 180 درجه با هم کوپل شوند. در بین دو قطب هر فاز کلید کوپلاژ اختلاف سطح uy 2 موثر خواهد افتاد. که عمل قطع جرقه را به مراتب مشکلتر می‌کند.

برای انتخاب کلید قدرت باید به نکات زیر توجه کرد:

1- ولتاژ نامی کلید که معمولاً برابر ولتاژ شبکه ای است که کلید در آن نصب می‌شود, و می‌تواند در حدود 15% هم از ولتاژ شبکه کوچکتر باشد. اغلب بخاطر بوجود آوردن اطمینان بیشتر در استحکام شبکه از  کلیدی استفاده می‌شود که ولتاژ نامی آن از ولتاژ شبکه قدری بزرگتر باشد. مثلاً در شبکه 13 هزار ولت, از سوی Kv 20 با جای Kv10 .

2- جریان نامی که مساوی با بزرگترین جریان کار معمولی شبکه است.

3- قدرت نامی قطع کلید که باید با قدرت اتصال کوتاه در محل کلید مطابقت کند.

در ضمن با همین قدرت قطع, قدر وصل نامی کلید نیز عملاً مشخص می‌شود, زیرا بر حسب تعریف VDE باید قدرت وصل کلید در حدود 5/2 برابر قدرت قطع آن باشد.

4- نوع فرمان وصل کلید: دستی – الکتریکی و یا کمپرسی توسط هوای فشرده.

5- طریقه نصب کلید: کشویی - ثابت

6- نوع قطع کننده اتوماتیک – قطع کننده پریمر یا قطع کننده زکوندر

7- برای نصب در شبکه آزاد یا شبکه سرپوشیده

یکی دیگر از مشخصات مهم کلید, زمان تأخیر در قطع کلید است, این فرمان برحسب تعریف عبارتست از حد فاصل زمانی بین لحظه فرمان قطع توسط رله مربوطه و آزاد کردن ضامن قطع کلید تا خاموش شدن کامل جرقه.

این زمان در کلیدهای مدرن امروزی به 05/0 ثانیه می‌رسد که تقریباً 02/0 ثانیه آن برای قطع جرقه مصرف می‌شود.

کلیدهای قدرت امروزی برای در حدود 25000 قطع و وصل ساخته می‌شوند. و باید سالیانه یک بار پس از هر 3000 بار قطع و وصل یک بار سرویس مورد بازدید اساسی قرار گیرند.

1-3-9) انواع کلیدهای قدرت

الف – کلید روغنی                                      breaker Circuit - Oil

ب – کلید کم روغن                           breaker Circuit - Minimum Oil

پ – کلید اکسپانزیون                         breaker Circuit - Expansions

ث – کلید هوایی                     breaker Circuit - Air blast

ج – کلید                                       breaker Circuit -  SF6

چ – کلید  خلاء                                breaker Vaccum Circuit

امروزه بخاطر خصوصیات خوب کلیدهای گازی و کم روغن, دیگر موارد استفاده نمی شوند ویا اگر مورد استفاده قرار گیرند در موارد بسیار کم می‌باشند.

بنابراین در اینجا به توضیح در مورد دو نوع مذکور می‌پردازد.

1) کلید کم روغن:

برای تشریح طرز کار کلید کم روغن وقایعی که در موقع جرقه زدن در روغن اتفاق می‌افتد و عواملی که در خاموش شدن جرقه موثر هستند ذیلاً توضیح داده می‌شود. در موقع جدا شدن دو کنتاکت کلید زیر بار در محفظه روغنی جریانی که از آخرین نقطه تماس فلزی کنتاکت‌ها می‌گذرد باعث گداخته شدن و تبخیر فلز(مس) می‌شود و با آن پایه و اساس جرقه یا قوس الکتریکی بین دو کنتاکت جدا شده گذاشته می‌شود. حرارت زیاد جرقه روغن اطراف قوس را تبخیر و ایجاد یک حباب گازی یا فشرده می‌کند. این حباب گازی از لایه‌های مختلفی تشکیل شده است که از دیدگاه روغن به طرف مرکز قوس عبارتند از:

1- لایه بخار مرطوب روغن

2- لایه بخار داغ و خشک

3- لایه اطراف قوس مرکب از   و  و   با حرارتی در حدود 1000 تا 5000 درجه کلوین و همین طور که بعداً خواهیم دید وجود همین اتمها و ملکولهای هیدروژن است که با خواص خوب حرارتی که دارند روغن را برای قطع جریان مناسب می‌کنند.

در وسط حباب جریان بصورت یک قوس الکتریکی عبور می‌کند و قوس قسمتی از گاز است که بعلت درجه حرارت زیادی که دارد (K10000-5000) باعث یونیزاسیون حرارتی می‌شود و قسمتی از اتمهای هیدروژن را یونیزه کرده و یک مجرای هادی بین دو کنتاکت کلید برای عبور جریان بوجود می‌آورد. حرارت شدید قوس توسط گازهای مجاور که بیشتر از ملکول و اتم هیدروژن تشکیل شده و دارای قابلیت هدایت حرارتی بسیار زیادیست (20 برابر هوا) بخارج یعنی روغن مجاور پس داده می‌شود این عمل تبادل حرارتی را می‌توان با به جریان انداختن گاز که داری فشار P و درجه حرارت T  است به محفظه دیگری با درجه حرارت  و  تشدید نمود. با استفاده از آنچه که توضیح داده شد, عمل قطع جریان متناوب باید به طریق زیر انجام گیرد.

در نزدیکی صفر شدن جریان, قدرت جرقه که برابر با حاصلضرب جریان i در اختلاف سطح  است تقریباً صفر می‌شود اگر در این موقع هدایت حرارت بخار, بخارج بسیار سریع انجام گیرد, حرارت اطراف جرقه با صفر شدن جریان آنقدر پایین می‌آید که قوس هدایت الکتریکی خود را بکلی از دست می‌دهد و الزاماً جرقه خاموش می‌شود. اما برای این تبادل حرارتی فقط یک فرصت بسیار کوتاهی که جریان از صفر و یا حوالی صفر می‌گذرد موجود است. به این ترتیب باید عناصری که جرقه را در بر دارند, دارای آنچنان قابلیت هدایت حرارتی باشند که بتوانند سریع و بی درنگ حرارت را بخارج منتقل کنند. خوشبختانه هیدروژن متصاعد شده از روغن, مناسبترین عنصر برای این منظور است. در یک زمان بسیار کوتاه که قابلیت هدایت قوس الکتریکی بسیار کم است (مقاومت الکتریکی زیاد) فقط یک جریان ناچیزی از این دو کنتاکت می‌گذرد که اگر در این موقعیت حرارت خارج شده به اندازه ای نباشد که هدایت الکتریکی بین دو الکترود را به صفر برساند, امیسیون حرارتی ادامه پیدا می‌کند و قوس با نیم موج بعدی جریان بر می‌گردد و جریان ادامه پیدا می‌کند. این برگشت مجدد جرقه را برگشت حرارتی قوس می‌نامیم. بفرض اینکه هدایت حرارت با موفقیت انجام گیرد و جرقه هم قطع شود, برای نگهداشتن این وضعیت و جلوگیری از برگشت مجدد جرقه شرط دیگری نیز لازم است و آن استقامت الکتریکی بین دو کنتاکت است. بدین معنی که حباب گازی که هنوز بین دو کنتاکت موجود است, گرچه دیگر هادی نیست ولی باید دارای آن چنان استقامت الکتریکی باشد که در اثر برگشت ولتاژ شبکه به محض صفر شدن جریان بین دو کنتاکت, باعث انهدام الکتریکی و در نتیجه باعث برگشت مجدد قوس الکتریکی و عبور جریان نشود

 اختلاف سطحی که باعث جرقه مجدد می‌شود و ما به آن اختلاف سطح شکست الکتریکی عایق می‌گوییم برای گازها در فاصله ثابت بین دو الکترود معین بستگی به تراکم گاز دارد و یا به عبارت دیگر متناسب با P/T است. بدین جهت اگر خواسته باشیم جرقه در اثر برگشت ولتاژ برنگردد و عایق دچار شکست الکتریکی نشود باید تراکم گاز در زمانی که جریان به حوالی صفر می‌رسد خیلی زیاد باشد, تا فاصله دو کنتاکت که هنوز خیلی زیاد نشده استقامت الکتریکی مناسب و کافی را پیدا کند. یعنی در همان موقعی که جریان به صفر می‌رسد جرقه برای بار قطع می‌شود باید تراکم گاز داخل محفظه خیلی زیاد باشد و چون این تراکم زیاد را نمی توان فقط با ازدیاد فشار P بدست آورد, باید همزمان با به جریان انداختن و خارج کردن گاز گرم در خنک کردن گاز نیز کوشید.

همانطور که می‌دانیم تراکم گاز در محفظه احتراق در موقع عبور جریان از صفر برابر است با نسبت مقدار گازی که قبلاً بوجود آمده (m) به فضایی که برای این مقدار گاز موجود است. (v) این فضا در ابتدا توسط خارج شدن کنتاکت متحرک از محفظه والاستیستیه ی روغن داخل محفظه ی احتراق تعیین می‌شود. ولی بعداً که روغن اطراف گاز به جریان می‌افتد و گاز به طرف مخزن بالای کلید راه پیدا می‌کند حجم گاز نیز زیاد می‌شود.

2) کلید

در این نوع کلید از گاز  بعنوان ماده خاموش کننده جرقه و عایق بین دو کنتاکت و نگهدارنده ولتاژ استفاده شده است گاز  الکترونهای آزاد را جذب می‌کند و ایجاد یون منفی بدون تحرک میکند. در نتیجه مانع ایجاد ابر بهمنی الکترونها که باعث شکست عایق و ایجاد جرقه می‌شود می‌گردد. بطوریکه استقامت الکتریکی گاز  به 2 تا 3 برابر هوا می‌رسد.

گاز  از نظر شیمیایی کاملاً با ثبات است و میل ترکیبی آن خیلی کم و غیر رسمی می‌باشد و تقریباً 5 برابر هوا وزن دارد و در مقابل حرارت زیاد نیز پایدار و غیر قابل اشتعال است. در ضمن این گاز دارای قابلیت هدایت حرارتی بسیار زیاد است.

لذا علاوه بر اینکه در خاموش کردن جرقه بسیار موثر واقع می‌شود, عایق بسیار با ارزش نیز می‌باشد. طرز استفاده از این گاز در کلیدهای فشار قوی عموماً بر مبنای انژکسیون گاز متراکم شده   به محل قوس الکتریکی (محفظه احتراق) است. چنانچه در این نوع کلید دیده می‌شود, این کلید از یک کنتاکت ثابت و یک کنتاکت متحرک استفاده نکرده است, بلکه قسمت اصلی کلید تشکیل شده از دو لوله ثابت که به فاصله معینی متناسب با ولتاژ نامی کلید در مقابل هم قرار گرفته اند. ارتباط این دو لوله در حالت وصل کلید توسط موف انگشتانه مانند فلزی بنام موف اتصالی انجام می‌گیرد.

کمپرسور تشکیل شده از یک سیلندر عایقی پر از گاز که بوسیله میله فرمان مخصوصی بطرف پایین و بالا حرکت می‌کند و در ضمن باعث قطع و وصل کلید نیز می‌شود.

در قسمت تحتانی این سیلندر عایقی, یک پیستون رینگ مانند بطور ثابت نصب شده است. این مجموعه (پیستون و سیلندر و گاز و موف اتصالی) در موقع قطع کلید مانند یک کمپرسور و انژکتور عمل می‌کند. با این تفاوت که گاز داخل کمپرسور با فشردن پیستون متراکم نمی شود, بلکه با پایین آمدن لوله سیلندر فشرده و متراکم می‌شود.

در موقع قطع کلید, کمپرسور که در حقیقت بعنوان دستگاه تراکم کننده و دمنده گاز عمل می‌کند بوسیله اهرمی که فرمان قطع را اجراء می‌کند به طرف پایین کشیده می‌شود. در این حالت گاز  داخل کمپرسور متراکم می‌شود و موقعی که گاز تراکم لازم برای خاموش کردن جرقه را پیدا کرد, موف اتصالی از لوله ثابت فوقانی جدا می‌شود و در ضمن اینکه بین دو کنتاکت لوله ای جرقه حاصل می‌شود, مجرای ورود گاز از دو طرف جرقه باز می‌شود و کمپرسور تبدیل به انژکتور می‌گردد. گاز تحت فشار بطور عمودی بر قوس وارد شده و در امتداد طول قوس در داخل لوله‌ها جریان پیدا می‌کند و باعث قطع سریع جرقه در زمان عبور جریان از صفر می‌شود. پس از قطع کامل جریان, سیلندر عایقی کمپرسور در جای خود بطور ثابت قرار می‌گیرد. در موقع وصل کلید, سیلندر عایقی مجدداً بالا رفته و فضای خالی آن از گاز  پر می‌شود و کلید آماده برای قطع مجدد می‌گردد.