آشنایی با نحوه عملکرد کلیدهای قدرت + پدیده قوس الکتریکی
- حمید زینالی
- شبکه برق, طراحی و تجهیزات پست فشار قوی, وبلاگ
- 1405/02/16
- این مقاله بروزرسانی شده 13 خرداد 1405
جایگاه کلیدهای قدرت در شبکه
کلیدهای قدرت بخش اساسی سیستم حفاظتی شبکه را تشکیل می‌دهند و نقش مهمی در طراحی، عملکرد و اطمینان از تداوم تغذیه ایفا می‌کنند. این تجهیزات از نظر اقتصادی عناصر گران‌قیمتی محسوب می‌شوند؛ به گونه‌ای که در یک شبکه، شاید تنها قیمت واحد ژنراتورها و ترانسفورماتورها از قیمت آن‌ها بیشتر باشد.
از آنجا که برای کنترل و مانور روی خطوط انتقال، شینه‌ها، ترانسفورماتورها و ژنراتورها نیاز به کلید قدرت است، تعداد کلیدهای قدرت در یک شبکه به طور قابل‌ملاحظه‌ای از تعداد کل ترانسفورماتورهای آن بیشتر است.
از این رو، مجموع سرمایه‌گذاری انجام شده برای تأمین کلیدهای قدرت در یک شبکه ممکن است از مجموع هزینه ترانسفورماتورها یا ژنراتورهای آن شبکه فراتر رود. علاوه بر این، در یک پست برق تعداد کلیدها به قدری زیاد است که هزینه تأمین آن‌ها می‌تواند بسیار بیشتر از هزینه خرید ترانسفورماتورها باشد. این موضوع با بررسی هزینه‌های تأمین تجهیزات یک پست برق ۲۲۰ کیلوولت به عنوان یک مثال عملی، روشن‌تر می‌گردد.
اهمیت و ضرورت کلیدهای قدرت
واقعیت این است که میان تمامی تجهیزات فعال در تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، کلیدهای قدرت کمترین میزان فعالیت مداوم را دارند؛ چرا که استفاده از آن‌ها تنها به موارد خاص محدود می‌شود.
برخلاف ژنراتورها، خطوط انتقال و ترانسفورماتورها که به‌صورت دائمی (تقریباً ۲۴ ساعت شبانه‌روز و در تمام روزهای سال) در حال سرویس‌دهی هستند و زمان خروج از مدار آن‌ها به‌ندرت به چند روز می‌رسد، کلیدها در طول یک سال تنها چند دقیقه عملیات قطع مدار را انجام می‌دهند و حتی گاهی در طول سال هیچ‌گاه مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.
با این حال، استفاده از کلیدها در شبکه قدرت نه تنها غیرقابل اجتناب است، بلکه با توجه به اهمیت تداوم تغذیه و حفظ ایمنی تجهیزات و نفرات، در بیشتر موارد کاهش تعداد آن‌ها نیز امکان‌پذیر نیست.
عوامل بروز خطا در سیستم‌های الکتریکی
هر سیستم الکتریکی همواره در معرض وقوع عیوب و آسیب‌های مختلف قرار دارد. این موضوع علل گوناگونی دارد که از آن جمله می‌توان به مواردی نظیر کلیدزنی اشتباه و یا وقوع اتصال کوتاه بین دو یا چند فاز در خطوط هوایی اشاره کرد.
اتصال کوتاه بین خط هوایی و زمین ممکن است به دلایلی نظیر افتادن شاخه درختان، برخورد پرندگان بزرگ با سیم‌ها، زوال عایقی در کابل‌های زیرزمینی و یا برخورد امواج سیار صاعقه و کلیدزنی رخ دهد.
وقوع چنین شرایط غیرعادی باعث ایجاد جریان‌های اتصال کوتاه شدید و یا اضافه ولتاژهای ناگهانی می‌شود که عبور آن‌ها از سیستم، منجر به تشدید حرارت و افزایش چشمگیر نیروهای الکترومغناطیسی می‌گردد؛ چرا که هر دوی این پارامترها با مربع جریان متناسب هستند.
اثرات حرارتی و مکانیکی اتصال کوتاه
۱. اثرات حرارتی (اثر اولیه):
گرم شدن هادی در طی زمان اتصال کوتاه، اثر اولیه محسوب می‌شود. پیامدهای بعدی این افزایش دما شامل تخریب یا پیری شدید عایق کابل و انبساط هادی است. سوختن عایق می‌تواند منجر به بروز خطرناک‌ترین اثر اتصال کوتاه، یعنی «آتش‌سوزی با احتمال گسترش سریع خرابی» گردد.
همچنین، انبساط هادی ممکن است باعث اعوجاج آن و ترک خوردن روکش‌های جامد در محفظه‌های پرشده شود. از آنجا که دمای هادی با افزایش زمان خطا بالا می‌رود، زمان تداوم اتصال کوتاه باید تا حد ممکن کوتاه باشد.
۲. نیروهای الکترومغناطیسی:
برخلاف افزایش دما، نیروهای الکترومغناطیسی با زمان افزایش نمی‌یابند، بلکه به دلیل کاهش جریان اتصال کوتاه و رفع عدم تقارن آن، رو به کاهش می‌گذارند. با این حال، این نیروهای ارتعاشی باید در حداقل مقدار ممکن نگه داشته شوند و احتمال تشدید لرزش هادی‌ها با مؤلفه متناوب نیروی الکترومغناطیسی باید به صفر برسد.
نیروهای ناشی از اتصال کوتاه می‌توانند هادی‌ها را کاملاً از شکل طبیعی خارج کنند؛ لذا حتی یک خمیدگی یا جابه‌جایی ناچیز هادی اگر نادیده گرفته شود، می‌تواند در آینده باعث شکست عایقی گردد.
ضرورت استفاده از کلیدهای قدرت
در یک شبکه به‌هم‌پیوسته با بیش از یک مولد، تداوم جریان‌های خطا می‌تواند پایداری گذرای سیستم را به‌شدت به مخاطره اندازد. بنابراین، برطرف کردن شرایط غیرعادی (اتصال کوتاه) از سیستم در حداقل زمان ممکن بسیار حیاتی است که استفاده از کلیدهای قدرت (مدارشکن) را اجتناب‌ناپذیر می‌کند.
مطابق با استاندارد BS 116 (ویرایش ۱۹۵۲)، کلید قدرت عنصری تعریف می‌شود که قادر به وصل و قطع مدار در شرایط عملکرد عادی و غیرعادی (همچون حالت اتصال کوتاه) می‌باشد. بر اساس این تعریف، یک کلید قدرت باید دارای توانایی‌های زیر باشد.
وظایف و توانمندی‌های اصلی کلید قدرت
با توجه به تعاریف استاندارد، یک کلید قدرت باید توانایی‌های کلیدی زیر را دارا باشد:
۱. توانایی عبور دادن حداکثر جریان نامی سیستم در محل نصب به‌صورت دائم.
۲. قابلیت وصل و قطع ایمن مدار در وضعیت بهره‌برداری نرمال.
۳. قابلیت وصل و قطع مدار در شرایط غیرعادی، به‌ویژه در زمان وقوع اتصال کوتاه.
در بسیاری از موارد، هنگام بروز خطا در سیستم، کلید در حالت وصل قرار دارد. در چنین شرایطی، کلید باید بدون آسیب دیدن یا صدمه زدن به سایر تجهیزات شبکه، جریان اتصال کوتاه را تا لحظه قطع تحمل نماید.
بررسی کلیدهای قدرت
برای شناخت دقیق قواعد حاکم بر عملکرد و انتخاب صحیح یک کلید، مطالعه این تجهیز به بخش‌های زیر تقسیم می‌شود:
- مبانی عملکرد و فیزیک قوس الکتریکی.
- روند پیشرفت‌های تکنولوژیک در ساخت کلیدها.
- انواع کلیدها و ویژگی‌های ساختاری آن‌ها.
- مکانیزم‌های عملکردی (فرمان قطع و وصل).
- استاندارد مقادیر نامی و معیارهای انتخاب کلید.
- اصطلاحات تخصصی مربوط به کلیدهای قدرت.
- عملکردهای ویژه و تست‌های آزمایشگاهی.
- بررسی جداول مشخصات فنی و ضمانت‌نامه‌ها
مبانی عملکرد و پدیده قوس الکتریکی
هنگامی که کنتاکت‌های ثابت و متحرک کلید (چه در شرایط عادی و چه در حالت اتصال کوتاه) از یکدیگر جدا می‌شوند، بین آن‌ها «قوس الکتریکی» تشکیل می‌گردد. نکته قابل توجه این است که حتی ولتاژهای بسیار کمتر از ولتاژ نامی سیستم نیز قادر به برقرار نگه داشتن این قوس هستند.
تا زمانی که این قوس به‌طور کامل خاموش نشود و بین کنتاکت‌های باز شده استحکام عایقی کافی برقرار نگردد، مدار همچنان متصل باقی مانده و سمت بار کلید، برق‌دار خواهد بود.
در شرایط عملکرد عادی سیستم، جریان گذرنده از کلید معمولاً دارای دامنه‌ای بین چند صد تا هزار آمپر و با ضریب توان بالا است. مگر در موارد خاصی همچون تغذیه ترانسفورماتورهای بی‌بار، راکتورها، خطوط انتقال طولانی بی‌بار و خازن‌ها.
در این موارد خاص، اگرچه دامنه جریان ممکن است در همان محدوده یا حتی کمتر باشد، اما ضریب قدرت بسیار پایین و گاهی نزدیک به صفر است.
هنگام قطع اتصال کوتاه، جریان عبوری از کلید یک جریان القایی خالص با دامنه بسیار زیاد است. قوس الکتریکی باعث ایجاد یک وضعیت گذرای تدریجی از حالت وصل (عبور جریان) به حالت قطع (برقراری ولتاژ عایقی) می‌شود.
این حالت گذرا به دلیل انرژی گرمایی بسیار بالایی که تولید می‌کند، خطرناک بوده و در صورت عدم کنترل صحیح، می‌تواند منجر به انفجار کلید گردد.
روش‌های اطفای قوس الکتریکی
فناوری طراحی کلید باید بتواند الزامات کنترل قوس را به‌گونه‌ای تأمین کند که ایمنی تجهیزات و نفرات تضمین شود. به‌طور کلی دو روش اصلی برای خاموش کردن قوس وجود دارد:
۱. روش مقاومت زیاد
در این روش، مقاومتی که با نرخ ثابتی افزایش می‌یابد وارد مدار شده و هم‌زمان قوس الکتریکی سرد می‌شود. این فرایند باعث کاهش سریع جریان تا سطحی می‌شود که دیگر برای برقرار ماندن قوس کافی نیست. افزایش مقاومت از طریق هدایت و جابه‌جایی قوس برای افزایش طول آن انجام می‌گیرد.
این روش در کلیدهای جریان مستقیم، کلیدهای جریان متناوب با توان متوسط و کلیدهای هوایی مغناطیسی استفاده می‌شود. با افزایش ولتاژ و توان، انرژی قوس غیرقابل کنترل شده و محدودیت‌های جدی در توسعه این فناوری ایجاد می‌کند.
۲. روش جریان صفر
این روش منحصراً در کلیدهای جریان متناوب کاربرد دارد و جریان در هر نیم‌سیکل از نقطه صفر عبور می‌کند.
پس از آنکه در پایان هر نیم‌سیکل قوس موقتاً از بین رفت، فضای میان کنتاکت‌ها همچنان حاوی یون‌ها و الکترون‌ها است. این ذرات باعث می‌شوند فضا دارای مقاومت محدودی باشد و با بازگشت ولتاژ، بلافاصله دچار شکست عایقی شده و قوس مجدداً برقرار گردد.
بنابراین، مسئله اصلی در این روش، حذف یون‌ها و الکترون‌ها بلافاصله پس از لحظه عبور جریان از صفر است.
فرآیند دی‌یونیزاسیون و بازیابی استحکام عایقی
برای اطفای موفق قوس الکتریکی، باید یون‌ها و الکترون‌ها بلافاصله پس از لحظه عبور جریان از صفر، از فضای میان کنتاکت‌ها حذف شوند. این امر از دو طریق صورت می‌پذیرد:
۱. بازترکیب: ترکیب مجدد ذرات باردار و تشکیل مولکول‌های خنثی.
۲. پاک‌سازی فضا: دور کردن ذرات باردار از فضای بین کنتاکت‌ها به گونه‌ای که با افزایش ولتاژ، شکست عایقی مجدد رخ ندهد.
در یک کلید ایده‌آل که با روش «جریان صفر» کار می‌کند، قطع جریان باید دقیقاً در لحظه عبور از صفر رخ دهد. هم‌زمان، استحکام الکتریکی فضای بین دو کنتاکت باید با چنان سرعتی افزایش یابد که توانایی ایستادگی در برابر تنش‌های ولتاژی ایجاد شده در دو سر کنتاکت‌های جدا شونده را داشته باشد.
تفاوت کلید ایده‌آل و کاربردی
ممکن است چنین تصور شود که اگر عمل قطع در لحظه صفر (بدون وجود ولتاژ) انجام شود، انرژی گرمایی ناشی از قوس به صفر می‌رسد. اما طراحی کلیدی که در آن کنتاکت‌ها دقیقاً در لحظه عبور جریان از صفر از هم جدا شوند، از نظر اقتصادی بسیار پیچیده است.
لذا در عمل، قطع مدار ابتدا با برقراری قوس بین کنتاکت‌ها آغاز شده و سپس با فرارسیدن «عبور از صفر» بعدی، قوس خاموش می‌گردد. برای شتاب بخشیدن به فرآیند بازترکیب یون‌ها و الکترون‌ها، از روش‌هایی نظیر سرد کردن فضای قوس، قرار دادن آن تحت فشار مکانیکی و دمش روغن سرد یا هوای فشرده جهت تخلیه گازهای یونیزه شده استفاده می‌شود.
جهت درک دقیق‌تر شرایط مورد نیاز جهت فرونشاندن قوس، یک مدار با خاصیت غالب القایی را مطابق با شکل زیر در نظر می‌گیریم. شکل موج‌ها در طی عملیات قطع این کلید در نمودار زیر، رفتار ولتاژ و جریان را در لحظات بحرانی قطع نشان می‌دهد.
اگر انرژی تلف‌شده در قوس بیش از انرژی داده‌شده به آن باشد، جریان قوس اندکی پیش از زمان طبیعی عبور از صفر، به صفر کاهش می‌یابد. از آنجا که جریان عبوری از اندوکتانس (L) نمی‌تواند به‌صورت جهشی صفر شود، این جریان باعث شارژ خازن موازی (C) که در هر مدار جریانی وجود دارد، می‌گردد. این فرآیند موجب افزایش ولتاژ قوس تا مقداری می‌شود که به آن «ولتاژ اوج اطفا» می‌گویند.
شرایط قطع موفق و بازگشت جرقه
موفقیت در عملیات قطع مدار به تقابل بین «نرخ افزایش استقامت عایقی» و «نرخ خیزش ولتاژ» بستگی دارد:
اگر استقامت عایقی فضای بین دو کنتاکت در مقایسه با خیز ولتاژ به‌کندی افزایش یابد، جرقه مجدداً بازمی‌گردد و تا عبور از صفر بعدی جریان، قوس خاموش نخواهد شد.
اگر استقامت عایقی فاصله بین دو کنتاکت حداقل با همان نرخ خیزش ولتاژ (یا سریع‌تر از آن) افزایش یابد، هیچ‌گونه بازگشت جرقه‌ای رخ نداده و مراحل قطع مدار کامل می‌شود. در نهایت، پس از ناپدید شدن نوسانات اضافی، ولتاژ شبکه به حالت پایدار بازمی‌گردد.
توسعه کلیدهای قدرت
در اولین سیستم‌های جریان متناوب ولتاژ بالا که در حدود سال ۱۸۹۰ میلادی نصب شدند، حفاظت در برابر جریان‌های زیاد تنها توسط فیوزها صورت می‌گرفت. کلیدهایی که در آن دوران برای عملیات قطع و وصل استفاده می‌شدند، از نوع «هوای آزاد» و مجهز به شاخک‌های جرقه‌گیر بودند.
در این کلیدها، قوس الکتریکی با طول بسیار زیاد ایجاد می‌شد. همین مسئله، نیاز به اقدامات پیشگیرانه خاص در هنگام نصب را به‌شدت افزایش می‌داد.
ظهور کلیدهای روغنی و کاهش طول قوس
با افزایش ولتاژ و توان سیستم، بهره‌برداری از کلیدهایی با قوس الکتریکی آزاد غیرممکن شد. اولین گام در مسیر توسعه این تجهیزات، غوطه‌ور کردن کنتاکت‌ها در مخزن روغن بود تا قوس الکتریکی در محیط روغن تشکیل شود.
این نوآوری کمک به کوتاه‌تر شدن طول قوس کرد. به‌طوری‌که برای مثال، قطع جریان ۳۰۰ آمپری در سطح ولتاژ ۷ کیلوولت که در هوا قوسی به طول ۴ متر ایجاد می‌کرد، در روغن تنها با ایجاد دو قوس الکتریکی سری امکان‌پذیر گشت.
تحولات ساختاری از دهه ۳۰ میلادی
تا پیش از دهه ۱۹۳۰ میلادی، کلیدهای پرروغن تقریباً تنها تجهیزات مورد بهره‌برداری در سیستم‌های ولتاژ بالا بودند. اما از این دهه به بعد، توسعه «کلیدهای کم‌روغن» و «کلیدهای هوای فشرده» در قاره اروپا آغاز شد.
از آن زمان به بعد، تلاش برای ساخت کلیدهای ایمن‌تر و مناسب‌تر با ظرفیت‌های بالاتر، به‌صورت نظام‌مند در آزمایشگاه‌ها و محیط‌های میدانی مورد ارزیابی قرار گرفت. این روند توسعه باعث شد تا زمان قطع که در کلیدهای اولیه حدود ۵ سیکل بود، به‌طور چشم‌گیری کاهش یابد.
کل زمان‌های قطع در کلیدهای اولیه حدود 0.5 ثانیه بود و به 0.2 ثانیه کاهش یافت (8 تا 10 سیکل). امروزه کلیدهای قدرت با زمان قطع 0.05 ثانیه (2سیکل) نیز در بازار موجود می‌باشند.
آیا این مقاله برایتان مفید بود؟
