آشنایی با انواع کلیدهای فشار قوی + ویژگی ساختاری کلیدها
- حمید زینالی
- شبکه برق, طراحی و تجهیزات پست فشار قوی, وبلاگ
- 1405/02/17
- این مقاله بروزرسانی شده 18 خرداد 1405
بررسی انواع کلیدهای قدرت فشار قوی
کلیدهای فشار قوی بر اساس مکانیزم قطع جریان و محیط خاموشکننده قوس الکتریکی، در دستههای زیر طبقهبندی میشوند:
1. کلیدهای تمامروغنی (روغن زیاد) یا تانکی
2. کلیدهای نیمهروغنی (کمروغن)
3. کلیدهای هوای فشرده (ACB)
4. کلیدهای مغناطیسی
5. کلیدهای SF6 (هگزافلورید گوگرد)
6. کلیدهای خلاء
در میان موارد فوق، کلیدهای مغناطیسی به دلیل محدودیت در روش خاموشسازی قوس، در سطوح ولتاژ و ظرفیتهای بالا کاربرد محدودی دارند. از سوی دیگر، هرچند کلیدهای خلاء نقطه اوج پیشرفتهای تکنولوژیک در سالهای اخیر محسوب میشوند و بهسرعت در حال گسترش هستند.
اما همچنان رقابت نزدیکی با کلیدهای SF6 دارند. با توجه به اهمیت عملیاتی، در ادامه به تشریح جزئیات کلیدهای روغنی، نیمهروغنی، SF6 و ACB میپردازیم.
۱. کلیدهای فشار قوی تمامروغنی
این نوع کلیدها که از اواخر قرن نوزدهم رواج پیدا کردند، قدیمیترین نسل در میان کلیدهای روغنی، هوایی و گازی محسوب میشوند. در کلیدهای تمامروغنی، روغن دو وظیفه حیاتی را بهطور همزمان بر عهده دارد:
خاموشسازی جرقه: اطفای قوس الکتریکی حاصل از جدا شدن کنتاکتها.
عایقکاری: ایجاد ایزولاسیون الکتریکی بین بخشهای برقدار و مخزن فلزی (بدنه کلید).
در نمونههای اولیه و ساده این کلیدها، فرآیند جداسازی کنتاکتهای حامل جریان در روغن، بدون کنترل سخت بر روی قوس انجام میگرفت و تنها عامل اطفای جرقه، افزایش طول قوس ناشی از حرکت کنتاکت متحرک بود.
چالشهای توسعه در سیستمهای قدرت
با گسترش سیستمهای قدرت و افزایش سطح ولتاژ و جریانهای خطا، روشهای سنتی دیگر پاسخگوی نیازهای حفاظتی شبکه نبودند. همین امر موجب شد تا تحقیقات گستردهای بر روی روشهای کنترل فرآیند قطع انجام گیرد که منجر به ابداع مکانیزمهای پیشرفتهتر در نسلهای بعدی کلیدها شد.
توسعه محفظههای فشار در کلیدهای روغنی
این نسل از کلیدها مجهز به محفظه فشار هستند و بهدلیل قیمت نسبتاً ارزان و کارایی بالاتر در اطفای قوس، کاهش زمان قوس الکتریکی و بهینهسازی فاصله جدایی کنتاکتها در مقایسه با انواع تمامروغنی ساده، همچنان بهصورت گسترده مورد استفاده قرار میگیرند.
با توجه به اهداف طراحی و تکنولوژی سازندگان مختلف، طرحهای متنوعی از این محفظهها قابل دسترس است که عبارتند از:
- نوع کراسجت (فوران متقاطع)
- محفظه انفجار
- محفظه بازدارنده
بخش اصلی و حیاتی در کلیدهای قدرت، تجهیزات کنترل قوس هستند. اغلب این تجهیزات بر پایه اصل «محفظه فشار» عمل میکنند، اما جهت افزایش «ظرفیت قطع»، اصلاحات ویژهای در آنها اعمال میشود. بر اساس چگونگی عملکرد این محفظهها، کلیدها به دستههای زیر تقسیم میشوند:
1. کلید با پاشش ضربهای روغن.
2. کلید با شبکه دیونیزه.
3. کلید با محفظه فشار دوگانه.
4. کلید روغنی با محفظه فشار «فوران محوری».
بررسی عملکرد کلید فشار قوی
بهعنوان یک نمونه عملیاتی، مکانیزم محرکه کنتاکت در کلید ۳۳ کیلوولت نوع DKM (ساخت شرکت English Electric) دارای ساختار فنی زیر است:
کنتاکتها توسط مجموعهای از اهرمها (L) که در قاب بالایی کلید قرار میگیرند، به حرکت درمیآیند. این اهرمها از طریق رابطها و اتصالات (M) به «پل بالابر» (N) متصل میشوند که وظیفه هدایت عمودی و هماهنگ کنتاکتها را بر عهده دارد. (مطابق شکل زیر)
مجموعه «اهرم رابط» حول محوری مشخص که در یاتاقان قاب بالایی ثابت است، میچرخد. این اهرم به وسیله «محور اتصال G» که دارای یک کوپلینگ قابل تنظیم است، به محور کشش عمودی در مکانیزم عملکننده کلید متصل میشود.
جهت جلوگیری از نشتی روغن از محفظه قاب بالایی، از «واشرهای آببندی روغن» در محل خروج محورها استفاده میشود. یک بازوی نشاندهنده وضعیت کلید به وسیله «پین E» در انتهای چرخان اهرم رابط تعبیه میشود که موقعیت دقیق کنتاکتها را منعکس میکند.
پل بالابرنده که حامل «میلههای عایق» و «کنتاکتهای متحرک R» است، وظیفه انتقال حرکت را بر عهده دارد. این پل برای حفظ دقت در حرکت و جلوگیری از انحراف، به صورت عمودی بر روی «میلههای هدایتگر D» که در قاب بالایی محکم شدهاند، جابهجا میشود.
در انتهای بالایی هر میله هدایتگر، سیستمهای ضربهگیر یا محدودکننده جهت کنترل انتهای کورس حرکت پیشبینی میشود.
سیستم اطفای قوس در محفظه قطع کلیدها
در ادامه بررسی ساختار کلیدهای فشار قوی، جزئیات مربوط به سرعت عملکرد و فرآیند قطع جریان به شرح زیر است:
در قسمتی که میلههای هدایتگر توسط گیره به صفحات بالایی متصل شدهاند، «فنرهای شتابدهنده» قرار میگیرند. این فنرها در طی عملیات وصل (Close)، توسط پل بالابرنده فشرده و شارژ میشوند تا به محض فرمان قطع (Open)، نیروی لازم برای جداسازی سریع کنتاکتها را فراهم کنند.
ممانعت از حرکت بیش از حد مکانیزم پس از رسیدن به وضعیت «وصل»، توسط موانع قابل تنظیم که در قاب بالایی قرار دارند، انجام میشود. در انتهای پایینی هر میله هدایتگر، مجموعه «ضربه گیر روغنی» قرار دارد. این تجهیزات وظیفه مستهلک کردن انرژی جنبشی در پایان کورس حرکت و جلوگیری از ضربات مکانیکی شدید هنگام باز شدن کنتاکتها را بر عهده دارند.
محفظه قطع کلیدهای فشار قوی
بخش فعال و اساسی کلید، یک ساختار استوانهای به نام محفظه قطع است که درون قاب بالایی پیچ و قفل میشود. اجزای داخلی آن عبارتند از:
صفحات جداکننده عایق: این صفحات با آرایشی خاص سوار میشوند تا یک مسیر مارپیچ برای عبور روغن ایجاد کنند.
ساختار کنتاکت ثابت: کنتاکت ثابت به صورت «چندشاخه فنری» (انگشتی) با چیدمان دایرهای در بالای محفظه قرار دارد تا کنتاکت متحرک لولهای را کاملاً در بر بگیرد.
کنتاکت جرقه: جهت حفاظت از کنتاکتهای اصلی، انگشتیهای کنتاکت ثابت به صورت یکدرمیان بلندتر طراحی میشوند تا نقش «کنتاکت جرقه» را ایفا کنند. این بخش جریان قوس را از خود عبور میدهد. این عمل باعث میشود تا مانع از سوختن و آسیب دیدن کنتاکتهای حامل جریان عادی (اصلی) شود.
فرآیند جداسازی و اطفای قوس کلیدهای فشار قوی
جداسازی کنتاکتها و اطفای قوس الکتریکی بهطور کامل در فضای محدود محفظه قطع انجام میشود. محدود بودن فضای داخلی محفظه باعث میشود:
1. حرکت روغن در درون محفظه متمرکز گردد.
2. گازهای حاصل از قوس الکتریکی در فضایی اندک محبوس شوند.
3. فشار داخلی بهشدت افزایش یابد (متناسب با نرخ تولید گاز و سرعت خروج آن از دریچهها).
این افزایش فشار ناگهانی و گردش روغن در مسیرهای مارپیچ، مهمترین عامل در بالا بردن قدرت قطع این نوع کلیدها نسبت به مدلهای تمامروغنی ساده است.
2. کلیدهای فشار قوی کمروغن
با افزایش سطح ولتاژ و توان اتصال کوتاه در شبکههای برق، کلیدهای تمامروغنی به حجم بسیار زیادی از روغن نیاز پیدا کردند که منجر به افزایش وزن، ابعاد و در نهایت هزینههای گزاف در سیستمهای قدرت شد.
همزمان، پیشرفت در فناوری ساخت سرامیکهای صنعتی این امکان را فراهم کرد که وظیفه «عایقسازی» (که پیشتر بر عهده حجم عظیم روغن بود) به محفظههای سرامیکی واگذار شود. در نتیجه، روغن تنها برای وظیفه «اطفای قوس الکتریکی» حفظ شد که منجر به تولید کلیدهای کمروغن در اروپا گردید.
امروزه این کلیدها تا سطح ولتاژ ۴۰۰ کیلوولت تولید و مورد استفاده قرار میگیرند.
مکانیزم عملکرد و اطفای قوس
برخلاف کلیدهای با منبع انرژی خارجی (مانند کلیدهای هوایی)، فرآیند اطفای قوس در کلیدهای نیمهروغنی دارای منشأ ترمودینامیکی درونی است:
1. ایجاد قوس: طی عملیات قطع، بین کنتاکتهای ثابت و متحرک در درون روغن، قوس الکتریکی ایجاد میشود. این قوس با دور شدن کنتاکت متحرک در جهت عمودی امتداد پیدا میکند.
2. تبخیر روغن و افزایش فشار: حرارت شدید قوس باعث تبخیر بخشی از روغن و تولید گاز میشود. این فرآیند موجب افزایش شدید فشار داخلی در محفظه قطع میگردد.
3. خودفرونشانی: این فشار، سیال خاموشکننده (روغن و گاز) را با سرعت زیاد حول محور قوس به حرکت درمیآورد. ساختار محفظه قطع باعث میشود ستون یونیزهشده قوس در تمام طول خود بهسرعت خنک شود.
4. بازیافت قدرت دیالکتریک: سرعت بازیابی استقامت عایقی در این کلیدها به قدری بالاست که پس از عبور جریان از نقطه «صفر طبیعی»، از برقراری مجدد قوس جلوگیری میکند. در واقع در این تکنولوژی، قوس الکتریکی خود انرژی لازم برای خاموش شدنش را فراهم میکند.
تحلیل ساختاری و عملیاتی کلید نیمهروغنی
در این بخش، بر اساس شکل زیر، جزئیات مسیر جریان و مکانیزم قطع در یک کلید نیمهروغنی تشریح میشود:
بخش فعال کلید شامل یک سیلندر عایق پر از روغن است که میله کنتاکت متحرک در محور مرکزی آن جابهجا میشود. در وضعیت «وصل»، مسیر عبور جریان به ترتیب زیر است:
- ورود جریان از پایانه فوقانی (۱).
- انتقال به کنتاکتهای انگشتی (۲).
- عبور از میله کنتاکت متحرک (۷).
- انتقال به کنتاکتهای انگشتی زیرین (۸)
- در نهایت خروج از پایانه انتهایی
فرآیند قطع و اطفای قوس کلیدهای نیمهروغنی
با دستور فرمان قطع، مراحل زیر بهصورت متوالی انجام میگیرد:
شروع حرکت: میله کنتاکت متحرک توسط فنرهای قطع با شتاب زیاد به سمت پایین امتداد پیدا میکند.
تشکیل قوس: قوس الکتریکی بین نوک میله کنتاکت متحرک (۶) و حلقه جرقه ایستا (۳) برقرار میگردد. این حلقه وظیفه دارد از سوختن و آسیب دیدن انگشتیهای اصلی کنتاکت ثابت جلوگیری کند.
هجوم گاز: در لحظات اولیه، گازهای حاصل از تبخیر روغن بدون برخورد با مانع به سمت بالای محفظه حرکت میکنند.
هدایت قوس به محفظه قطع: با رسیدن سرعت میله متحرک به مقدار نامی، قوس به درون محفظه قطع (۵) امتداد پیدا میکند. در این فضا، قوس در جهتی مخالف با مسیر آزاد شدن گازها، به سمت روغن تازه رانده و به شدت باریک میگردد. کوتاه ماندن طول قوس در این مرحله باعث کاهش ولتاژ قوس و در نتیجه کاهش انرژی میشود.
مکانیزم افزایش استقامت عایقی
به دلیل محدودیت فضا، گازها نمیتوانند آزادانه منتشر شوند؛ این امر منجر به موارد زیر میگردد:
ایجاد فشار داخلی: فشار بالایی در محفظه که باعث رانش سریع بخار روغن در جهت محوری و رو به بالا میشود.
تخلیه یونها: این جریان سریع سیال، توده گازهای یونیزه را از محیط خارج میکند و روغن خنک و تازه را جایگزین میکند.
پایداری دیالکتریک: پاشش روغن موجب افزایش ناگهانی استقامت عایقی در شکاف بین دو کنتاکت میشود و از برقراری مجدد قوس پس از عبور جریان از مقدار صفر جلوگیری میکند تا عملیات قطع مدار بهطور کامل انجام شود.
مزایا، محدودیتها و چالشهای فنی کلیدهای کمروغن
۱. مدیریت روغن در قطعهای متوالی
شیوه توزیع روغن در این کلیدها به گونهای طراحی میشود که در طی اولین عملیات قطع، تمام روغن موجود در محفظه به سمت قوس متفرق نمیشود. بخشی از روغن تازه برای عملیات بعدی ذخیره میگردد؛ این ویژگی ایمنی کامل را برای قطع دوم، حتی در شرایط حداکثر جریان اتصال کوتاه، تضمین میکند.
۲. مقایسه اقتصادی و مزایای کاربردی
علیرغم اینکه کلیدهای نیمهروغنی برخلاف مدلهای تانکی، به ترانسفورماتورهای جریان (CT) مجزا از نوع سیمپیچی شده نیاز دارند که باعث افزایش هزینه اولیه میگردد، اما در ولتاژهای ۳۳ کیلوولت و بالاتر، مجموع هزینه کلید و ترانسفورماتور مربوطه با کلیدهای تمامروغنی رقابتپذیر است.
مزایای اصلی این کلیدها عبارتند از:
- وزن کم و ابعاد کوچک: سهولت در حملونقل و جابهجایی.
- ساختار ساده: نصب آسان در پستهای فشار قوی.
- تعمیر و نگهداری بهینه: فرآیند سرویسدهی سریع و ساده نسبت به مدلهای قدیمی.
۳. محدودیتها و نیاز به تعمیرات دورهای
هرچند برخی خرابیها در خطوط و مقرههای اتکایی ممکن است به دلیل تعمیرات غیراصولی رخ دهد، اما این موضوع بهتنهایی دلیل کافی برای جایگزینی این کلیدها نیست، مگر در مواردی که اختلاف قیمت با کلیدهای تمامروغنی بسیار ناچیز باشد.
قابلیت (Auto Reclosing) و عملکردهای خاص
در ابتدا تردیدهایی درباره توانایی کلیدهای کمروغن برای عملیات وصل مجدد سریع (بازبست) وجود داشت. با این حال، سازندگان معتبر با اصلاح طراحیها، این قابلیت را با اطمینان بالا فراهم کردند. تمامی طرحهای استاندارد، توان نامی قطع را بهخوبی پوشش میدهند، اما بستگی به نوع مکانیزم خاموشکنندگی قوس، ممکن است در برخی وظایف خاص چالشهایی بروز کند.
مزایای کلیدهای کمروغن نسبت به کلیدهای هوای ACB
علیرغم محدودیتها، کلیدهای کمروغن در موارد زیر برتریهای بارزی نسبت به نوع «ACB» دارند:
1. خطاهای کیلومتری: این برتری به این دلیل است که کلیدهای روغنی نسبت به «فرکانس طبیعی ولتاژ بازگشتی» (TRV) حساسیت کمتری نشان میدهند.
2. قطع ترانسفورماتورهای تحت بار: پدیده «برش جریان» پیش از عبور از صفر طبیعی، که موجب بروز اضافه ولتاژهای خطرناک میشود. در این کلیدها ریسک کمتری دارد؛ زیرا انرژی خاموشسازی قوس در این کلیدها همواره با مقدار جریان قطع متناسب است.
3. کلیدهای هوای فشرده (ACB)
توسعه کلیدهای ACB تقریباً همزمان با کلیدهای کمروغن آغاز شد. سرعت پیشرفت و کارایی این تکنولوژی به قدری بالا بود که امروزه در بسیاری از سطوح از سایر انواع کلیدها پیشی گرفتند. این تجهیزات از معدود کلیدهایی هستند که قابلیت استفاده در بالاترین سطوح ولتاژی و بیشترین ظرفیتهای قطع در شبکههای مدرن را دارند.
مزایای بارز کلیدهای هوایی ACB
ایمنی در برابر حریق: با حذف روغن، خطرات ناشی از آتشسوزی و انفجار مخزن روغن بهطور کامل از بین رفته است.
عملکرد سریع و پایدار: زمان قطع در این کلیدها بسیار کوتاه و مستقل از دامنه جریان یا ضریب توان مدار است.
سهولت در نگهداری: این کلیدها به دلیل استهلاک کمتر قطعات در معرض قوس، به تعمیرات دورهای کمتری نیاز دارند و سرویس آنها سادهتر است.
روشهای کنترل قوس الکتریکی کلیدهای ACB
در این کلیدها، متداولترین روش برای اطفای قوس، قرار دادن آن در معرض دمش هوای فشرده با فشار بسیار بالاست. به طور کلی دو شیوه اصلی برای این کار وجود دارد:
1. دمش محوری: در این روش، جریان هوای فشرده همجهت با محور قوس الکتریکی دمیده میشود.
2. دمش عرضی: در این حالت، هوای فشرده به صورت عمود بر محور قوس جریان مییابد تا آن را منحرف و خنک کند.
در طراحیهای مدرن، گاهی از ترکیبات این دو روش یا تغییرات اصلاحی آنها برای دستیابی به حداکثر قدرت قطع استفاده میشود.
تحلیل ساختاری و عملکردی کلید هوایی ACB
برای درک بهتر مکانیزم عملکرد کلیدهای هوایی ACB، مدل DCF ساخت شرکت Brown Boveri (سوئیس) بهعنوان نمونه بررسی میشود.
یک کلید سهفاز هوایی نوع DCF از سه پل کاملاً مشابه و مجزا (با قابلیت جایگزینی) تشکیل شده است. ویژگی بارز این مدل، قابلیت بازبست سریع (Auto reclosing) به هر دو صورت تکفاز و سهفاز است. اجزای هر پل عبارتند از:
- شیرهای اصلی
- مجموعه کنترلی
- محفظه کنترل
- محفظه قوس
مکانیزم عملکرد در وضعیتهای مختلف
وضعیت وصل (ON): در این حالت، محفظه قوس (۸) فاقد هوای فشرده است و کنتاکتها توسط نیروی «فنر وصل» در حالت تماس باقی میمانند.
عملیات قطع (OFF): با صادر شدن فرمان قطع، هوای فشرده از طریق شیر اصلی (۱۶) و از مسیر مقره توخالی (۳۰) به درون محفظه قوس هجوم میآورد. این فشار بر کنتاکت متحرک (۴۱) غلبه کرده و آن را در مسیر از پیش تعیین شده (h) باز میکند.
کنترل ضربه: شدت حرکت کنتاکت متحرک در انتهای مسیر توسط یک بالشتک بادی (۴۶) گرفته میشود تا از آسیب مکانیکی جلوگیری شود.
اطفای قوس: قوس الکتریکی ایجاد شده بین کنتاکت ثابت (۴۰) و متحرک (۴۱)، تحت تأثیر شدید دییونیزاسیون و خنککنندگی هوای فشرده، در اولین عبور جریان از مقدار صفر خاموش میگردد.
تجهیزات کمکی برای بهبود عملکرد
برای اطمینان از توزیع یکنواخت ولتاژ بین محفظههای قطع (در کلیدهای با چند محفظه)، خازنهایی بهصورت موازی با محفظهها متصل میشوند. جهت افزایش قدرت قطع و حذف اضافه ولتاژهای گذار، مقاومتهایی که دارای کنتاکت اختصاصی هستند با کنتاکتهای اصلی موازی میشوند.
در طی عملیات قطع، هوای فشرده به پیستون (۱۰۱) متعلق به کنتاکت کمکی (۱۰۰) نیز راه مییابد. این مکانیزم مدار مقاومت را در فشار افزایشی حدود یک کیلوگرم بر سانتیمتر مربع (پیش از رسیدن به فشار نهایی عملیاتی) میبندد. با یک زمانبندی دقیق، کنتاکت اصلی (۴۱) باز شده و قطع نهایی مدار انجام میگیرد.
دیافراگم مشبک (۹۹): وظیفه این قطعه کنترل دقیق جریان هوا و اطمینان از توزیع فشار مناسب جهت عملکرد هماهنگ کنتاکتهای اصلی و کمکی است.
عملکرد هماهنگ مقاومت و کنتاکت کمکی
کنتاکت کمکی (۱۰۰)، مدار مقاومت را تقریباً ۰/۰۵ ثانیه پس از باز شدن کنتاکت اصلی قطع میکند. پس از انجام عملیات، «فنر بازگشت» (۹۸) کنتاکت کمکی را به حالت باز اولیه خود برمیگرداند تا برای عملیات بعدی آماده باشد.
این مقاومت که بهصورت موازی با کنتاکتهای اصلی (۴۰ و ۴۱) نصب شده است، تنها در طی فرآیند قطع وارد مدار میشود. مقاومت و کنتاکتهای کمکی مربوط به آن در فرآیند «وصل کردن کلید» نقشی ایفا نمیکنند. تنها اقدام در این مرحله، تخلیه سریع محفظه (۹۷) بهوسیله سوپاپ صفحهای (۹۹) است که به عنوان یک دیافراگم مشبک با عملکرد تأخیری عمل میکند.
مزایای ساختار چندمحفظهای
استفاده از چندین محفظه قطع بهصورت سری و امکان تست مجزای هر واحد، یکی از عوامل اصلی رشد فزاینده کلیدهای هوای فشرده است. این ویژگی باعث میشود که حتی با وجود امکانات محدود در مراکز آزمایش، بتوان عملکرد کلید را در ولتاژهای بالا بهدرستی ارزیابی کرد.
همچنین، استفاده از سیستم هوای فشرده هم برای «اطفای جرقه» و هم برای «مکانیزم عملکرد»، باعث کاهش هزینههای ساخت نسبت به کلیدهای تمامروغنی شده و قیمت آن را در ولتاژهای بسیار بالا با کلیدهای نیمهروغنی رقابتپذیر کرده است.
مکانیزم اطفای قوس در کلیدهای هوای فشرده
در فرآیند خاموش کردن قوس الکتریکی، هوای فشرده مستقیماً به ریشه اصلی قوس دمیده شده و آن را به فضای بیرون هدایت میکند. بدین ترتیب، قطع قوس در حداکثر فشار و بدون افت فشار (تحت شرایط بهینه) انجام میشود. این قابلیت، استفاده از کلیدهای فشار قوی هوای فشرده را در موارد زیر بسیار کارآمد میسازد:
- دستیابی به ظرفیتهای قطع بالاتر در شبکه.
- مدیریت سیستمهای دارای فاز مخالف.
- قطع و وصل خطوط انتقال بلند در حالت بیباری.
حساسیت به ولتاژهای بازگشتی و خطاهای اتصال کوتاه
علیرغم مزایای ذکر شده، کلیدهای فشار قوی هوای فشرده نسبت به فرکانس طبیعی سیستم و نرخ رشد ولتاژ بازگشتی بسیار حساس هستند. در «خطاهای کیلومتری» (خطاهای با فاصله کم)، ولتاژهای ضربهای بازگشتی با جبهه بسیار تند ایجاد میشوند که فرآیند قطع جریان را برای این کلیدها دشوار میکند.
سازندگان این محدودیت را به روشهای گوناگونی برطرف میکنند؛ همچنین میتوان با انتخاب کلیدی که قدرت قطع آن بالاتر از نیاز محاسباتی شبکه است، ضریب ایمنی را افزایش داد.
چالش قطع جریانهای سلفی کمدامنه
قطع جریانهای سلفی با دامنه کم، چالش دیگری در کلیدهای هوای فشرده است. به دلیل قدرت دمش بالای هوا جریانهای ضعیف سلفی ممکن است پیش از رسیدن به نقطه صفر طبیعی قطع شوند.
این قطع ناگهانی بهدلیل اندوکتانس خودی مدار، باعث بروز اضافه ولتاژهای شدید میگردد. برای مقابله با این پدیده و مستهلک کردن انرژی در مدار نوسانی (شامل اندوکتانس مدار و مؤلفههای خازنی ترانسفورماتورها)، از مقاومتهای میراکننده استفاده میشود.
4. کلیدهای فشار قوی SF6
کاربرد تجاری گاز هگزا فلورید گوگرد (SF6) در کلیدهای فشار قوی از حدود سال ۱۹۵۵ میلادی آغاز شد. این گاز ابتدا در کلیدهایی با مشخصات نامی نظیر ۱۱۵ کیلوولت/۱۰۰۰ مگاولتآمپر و ۴۶ کیلوولت/۲۵۰ مگاولتآمپر به کار گرفته شد.
موفقیت چشمگیر این کلیدها مرهون کاهش هزینههای نگهداری، سهولت در قطع و وصل جریانهای شارژ خطوط بیبار با ولتاژ بسیار بالا (EHV) و همچنین مدیریت جریانهای مغناطیسکنندگی ترانسفورماتورهای بیبار است.
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی گاز SF6
دلیل اصلی برتری این کلیدها، ویژگیهای منحصربهفرد گاز SF6 است که عبارتند از:
- استقامت دیالکتریک بسیار بالا: قدرت عایقی چندین برابر هوا.
- پایداری شیمیایی و گرمایی: حفظ ساختار در دماهای بالا.
- توانایی استثنایی در اطفای قوس: خنککنندگی سریع ستون قوس الکتریکی.
- تجزیه ناچیز: پایداری مولکولی حتی در مواجهه با قوسهای شدید.
تکنولوژیهای بهرهبرداری از گاز SF6
در طراحی این کلیدها، عمدتاً از دو تکنیک اصلی استفاده میشود:
1. کلیدهای دو فشاری: در این مدل، گاز بهصورت دائمی در مخزنی با فشار بالا (جهت قطع) ذخیره میشود. فرآیند اطفای قوس از طریق حرکت گاز از مخزن فشار بالا به سمت محفظه با فشار پایین صورت میگیرد. هرچند این تکنیک بالاترین سطح کارایی را ارائه میدهد، اما در مقایسه با روشهای نوین، از نظر اقتصادی مقرونبهصرفه نیست.
2. کلیدهای تکفشار: در این تکنیک که به «نوع دمنده» نیز معروف است، فشار مورد نیاز برای اطفای قوس همزمان با حرکت کنتاکتها و توسط جابهجایی یک پیستون درون سیلندر ایجاد میشود. این روش امروزه به دلیل سادگی و اقتصاد برتر، رایجترین تکنولوژی در سطوح ولتاژی مختلف است.
رفتار شیمیایی و بازیابی گاز
طی فرآیند قطع، گاز SF6 توسط قوس الکتریکی تجزیه میشود؛ اما از آنجایی که محصولات جانبی عایق هستند و توسط مواد جاذب در کلید جذب میگردند، استقامت عایقی گاز حتی پس از تعداد دفعات قطع زیاد، آسیب نمیبیند و ویژگیهای خود را حفظ میکند.
ساختار و مکانیزم عملکرد کلیدهای SF6
۱. اجزای اصلی هر پل کلید
هر پل از این کلیدها (در مدلهای با توان بالا) از اجزای زیر تشکیل شده است:
- محفظههای قطع: شامل دو محفظه قطع که بهصورت سری با یکدیگر قرار گرفتهاند. این محفظهها به همراه سیستم انتقال فرمان (میله راد) روی یک قاب زانویی نصب میشوند.
- خازنهای تقسیم ولتاژ: در صورت نیاز و با توجه به سطح ولتاژ، دو خازن بهمنظور متعادلسازی ولتاژ بهصورت موازی با محفظههای قطع نصب میگردند.
- مقره نگهدارنده: این مقره وظیفه ایزولاسیون و نگهداری محفظه را بر عهده دارد و میله عملیاتی عایق از درون آن عبور کرده و به مکانیزم قاب زانویی متصل میشود.
- سیستم محرک: شامل یک سیلندر هیدرولیک برای عملیات «وصل» و یک فنر قدرتمند برای عملیات «قطع».
- تجهیزات کنترلی: شامل یک سوییچ فشاری جهت مانیتورینگ دقیق و کنترل فشار گاز SF6 و یک چارچوب فلزی مستحکم (شاسی).
۲. ویژگیهای محفظه قطع
بر اساس شکل، محفظه قطع از نوع «تکفشار» است که دارای دو جفت کنتاکت مجزا میباشد:
1. کنتاکتهای اصلی (جریان): برای عبور جریان نامی در وضعیت وصل.
2. کنتاکتهای ارکینگ (جرقه): برای تحمل و اطفای قوس الکتریکی در لحظه قطع.
این محفظه بهصورت کاملاً آببندی شده طراحی شده و با گاز SF6 (در فشار نامی پایین) پر شده است. در این ساختار، تنها یک بخش متحرک به درون محفظه هدایت میشود که فرآیند قطع را مدیریت میکند.
۳. تحلیل مراحل عملیات قطع
فرآیند باز شدن کلید و اطفای قوس در سه وضعیت اصلی صورت میگیرد:
الف) وضعیت وصل (Closed): جریان از طریق کنتاکتهای خوشهای ثابت (۲) به بخشهای متحرک منتقل میشود.
ب) شروع حرکت و فشردهسازی گاز: با صدور فرمان قطع، کنتاکت متحرک (۵) که به سیلندر متصل است، حرکت خود را آغاز میکند. در اثر این حرکت، گاز SF6 موجود بین سیلندر متحرک و پیستون ثابت (۹) به شدت فشرده میشود.
ج) جدایی کنتاکتها و اطفای قوس: ابتدا کنتاکتهای اصلی (خوشهای) از یکدیگر جدا میشوند، در حالی که جریان همچنان از طریق کنتاکتهای جرقه عبور میکند. با جدا شدن کنتاکتهای جرقه، قوس الکتریکی تشکیل شده و همزمان گاز فشرده شده با فشار بالا به سمت مرکز قوس دمیده میشود. این عمل باعث خنکسازی سریع، دییونیزاسیون و در نهایت اطفای کامل قوس در اولین عبور جریان از مقدار صفر میشود.
4. فرآیند قطع جریان و اطفای قوس الکتریکی
از این پس، جریان از طریق کنتاکتهای جرقه (۳) و (۶) عبور میکند. کنتاکت جرقه متحرک (۶) از کنتاکت جرقه ثابت جدا میشود. در نتیجه، جرقه بین این دو جسم نسوز فلزی و در داخل دهانه عایقی (۴) برقرار میماند. در این لحظه، گاز SF6 فشردهشده ناگهان آزاد میگردد و با شدت به قوس در گلوگاه دهانه عایقی میدمد و ریشه قوس را به داخل کنتاکت جرقه ثابت (۳) میراند.
سیلندر (۵) به حرکت خود ادامه داده و فشار گاز SF6 در گلوگاه دهانه عایقی افزایش مییابد. هنگام عبور جریان از نقطه صفر، قوس خاموش میگردد. دی یونیزه شدن سریع ناحیه اطراف قوس که ناشی از فشار بالای گاز SF6 است، استقامت عایقی لازم را بین کنتاکتهای جدا شده برقرار میکند.
5. عملکرد سوپاپ یکطرفه در عملیات وصل
در هنگام وصل، سوپاپ یکطرفه (۷) افت فشار داخل سیلندر (۵) را محدود میکند. در حالت «بازبست سریع»، این عمل باعث تأمین فشار کافی برای دمش مناسب گاز در طی عملیات قطع دوم (بلافاصله پس از بازبست) میگردد.
مکانیزم عملکرد کلید فشار قوی SF6
مکانیزم عملکرد به همراه محفظه قطع، مهمترین بخش در عملکرد صحیح کلید است. پس از یک حالت گذرای لحظهای، مکانیزم باید قادر به بستن کلید در چند دهم ثانیه باشد؛ این عمل در حالت عبور جریان گذرای شدید، بسیار دشوار بوده و نیازمند دقت بالایی است.
همچنین مکانیزم قطع باید برای قطع کلید در چند میلیثانیه مناسب باشد. از آنجایی که تنشهای مکانیکی وارده قابل توجه هستند، مکانیزم باید بهگونهای طراحی گردد که علاوه بر سادگی، مقاوم و قابل اعتماد نیز باشد.
نیازمندیهای اساسی برای انتخاب یک مکانیزم بهینه عبارتند از:
۱. مصرف توان پایین: بهینه بودن انرژی مصرفی سیستم.
۲. سرعت عمل بالا: حرکت سریع برای غلبه بر نیروی دافعه الکترودینامیکی که هنگام بسته شدن کنتاکتهای کلید ایجاد میگردد.
۳. شتابگیری هوشمند: شتاب اولیه بالا که پس از تماس کنتاکتها کاهش یابد تا نیازی به استفاده از میراکنندههای (دمپرهای) بسیار سنگین نباشد.
۴. استقلال عملکرد: دارا بودن قابلیت قطع مکانیکی و الکتریکی مستقل از یکدیگر.
انواع مکانیزم عملکرد کلیدهای SF6
1. عملکرد دستی
این روش که بر نیروی عضلانی تکیه دارد، در شبکههای مدرن امروزی تقریباً منسوخ شده است. دلایل اصلی مخالفت با این روش (طبق استانداردهای IEC و BS) عبارتند از:
ایمنی پایین: در ولتاژهای بالا، خطر انفجار یا ایجاد قوس الکتریکی هنگام وصل دستی بسیار زیاد است.
سرعت غیرقابل اعتماد: سرعت بستن کلید به قدرت بدنی فرد بستگی دارد. اگر فرد کلید را کُند وصل کند، قوس الکتریکی زمان بیشتری باقی میماند و کلید آسیب میبیند.
ممنوعیت استاندارد: در توانهای بالا، استفاده از این روش به کلی ممنوع است.
۲. عملکرد سلونوئیدی
در این مکانیزم، از یک مگنت الکتریکی (سلف) برای جذب یک پیستون و حرکت دادن کنتاکتها استفاده میشود. با وجود سادگی، سه نقیصه بزرگ دارد:
1. مصرف جریان بسیار بالا: برای تولید نیروی کافی جهت حرکت دادن کنتاکتهای سنگین، نیاز به جریان (DC) بسیار زیادی دارد که مستلزم باتریخانههای بزرگ در پست است.
2. کُندی در شروع حرکت: به دلیل خاصیت سلفی، زمان میبرد تا جریان و شار مغناطیسی به مقدار حداکثر برسد (تأخیر در عملکرد).
3. توزیع نامناسب شتاب: دقیقاً برعکس نیاز ایدهآل عمل میکند. یعنی در ابتدا (که باید سریع حرکت کند تا قوس خاموش شود) کند است و در انتها (که باید متوقف شود) شتابش زیاد میشود، که این امر باعث ضربه شدید و نیاز به ضربهگیرهای بسیار سنگین میشود.
4. طبق استانداردها (مانند هند)، کلید باید بتواند در بازه ولتاژی ۰.۸۵ تا ۱.۱۲ پریونیت برابر ولتاژ نامی (و در صورت AC بودن، در محدوده فرکانسی خاص) به درستی عمل کند. این یعنی اگر ولتاژ پست به دلیل خطا یا افت شبکه کم شود (تا ۱۵٪ افت)، مکانیزم کلید همچنان باید قدرت کافی برای بستن کنتاکتها را داشته باشد.
3. عملکرد موتوری
در این روش، موتور مستقیماً با چرخدنده کنتاکت را حرکت میدهد.
مزیت: مصرف توان کم و سادگی.
عیب بزرگ: بسیار کُند است. در شبکههای قدرت، اگر کلید بخواهد “وصل مجدد” (Auto-reclose) انجام دهد، باید در کسری از ثانیه عمل کند تا پایداری شبکه و سنکرون بودن ژنراتورها حفظ شود. مکانیزم موتوری مستقیم به دلیل زمان طولانی حرکت، برای این کار مناسب نیست.
4. مکانیزم عملکرد فنری موتوردار
این بخش به پرکاربردترین مکانیزم در کلیدهای فشار قوی امروزی میپردازد. فرآیند به این صورت است که موتور (که توان کمی دارد) در مدت زمان طولانی (مثلاً ۱۰ تا ۳۰ ثانیه) فنر را جمع (شارژ) میکند.
استقلال زمان وصل از موتور: وقتی فنر آزاد میشود، سرعت وصل کلید فقط به سختی فنر بستگی دارد، نه به قدرت موتور یا ولتاژ منبع.
بهرهوری انرژی: چون موتور فرصت کافی برای شارژ کردن فنر دارد، نیازی به منبع تغذیه بزرگ یا باتریهای حجیم در پست نیست.
منحنی نیرو: این مکانیزم دقیقاً رفتاری را دارد که ما نیاز داریم: نیروی زیاد در شروع حرکت (برای غلبه بر اصطکاک و وزن کنتاکت) و کاهش نیرو در انتها (برای جلوگیری از ضربه شدید به بدنه کلید).
با نزدیک شدن کنتاکتها به هم، نیروی دافعه الکترومغناطیسی (که تمایل دارد کنتاکتها را از هم دور کند) زیاد میشود. در حالی که نیروی فنر در انتهای مسیر کاهش مییابد.
دستیابی به زمان وصل حدود ۶ سیکل (در فرکانس ۵۰ هرتز یعنی حدود ۰.۱۲ ثانیه) نشاندهنده سرعت بسیار بالای این مکانیزم برای عملیات بازبست (Auto reclose) است.
مزایای پنجگانه مکانیزم فنری
1. ثبات زمانی: زمان کلیدزنی همیشه ثابت است و به نوسانات ولتاژ شبکه وابسته نیست.
2. اطمینان بالا: انرژی ذخیره در فنر همواره آماده است و حتی در صورت قطعی کامل برق پست، میتوان فنر را به صورت دستی شارژ و کلید را وصل کرد.
3. آمادگی دائم: طراحی به گونهای است که با یک بار وصل شدن، فنر مخصوص «قطع» شارژ میشود تا اگر بلافاصله خطایی رخ داد، کلید بتواند سریعاً قطع کند.
4. تعمیر و نگهداری کم: این مکانیزمها بسیار سختجان هستند و نیاز به سرویس مداوم ندارند.
5. تطبیقپذیری ولتاژی: موتور شارژکننده فنر در بازه گستردهای از ولتاژ (۸۵٪ تا ۱۱۰٪ ولتاژ نامی) به خوبی کار میکند.
5. مکانیزم عملکرد بادی
در این بخش، سیستم جدیدی معرفی میشود که از هوای فشرده برای جابهجایی کنتاکتها استفاده میکند. ویژگیهای اصلی آن عبارتند از:
- سرعت و انعطاف: به دلیل سبک بودن پیستون (اینرسی کم) نسبت به قدرت هوای فشرده، این سیستم بسیار سریع عمل میکند.
- نیروی یکنواخت: برخلاف فنر که نیرویش در طول مسیر کم میشود، فشار هوا در طول کل کورس حرکت تقریباً ثابت میماند که یک مزیت بزرگ برای غلبه بر مقاومتهای مسیر است.
- مناسب برای کلیدهای هوایی: این مکانیزم در کلیدهایی که خودشان از هوای فشرده برای اطفای جرقه استفاده میکنند (Air Blast Circuit Breakers)، بسیار رایج است چون منبع هوای فشرده از قبل در آنجا موجود است.
آیا این مقاله برایتان مفید بود؟
