معلومات مفيدة عن القواطع الكهربائية انواعها وأجزائها ونظرية عملها

يعرف القاطع (Circuit breaker) على أنه أداة فصل ووصل للدائرة الكهربائية، يقع بين
المصدر الكهربائي(Source) وبين الأحمال(Loads) المغذاة من هذا المصدر.
وتتحرك الأجزاء الميكانيكية فيه إما يدويا(Manual) أو كهربائيا(Electrical) لتعمل بدورها
على فصل التيار الكهربائي عن مركز الأحمال مهما كانت سواء محركات أو دوائر إضاءة أو
تغذية لوحات كهربائية أو دوائر مراقبة و تحكم ...إلخ.





ويمكن تشغيل القاطع يدويا أو كهربائيا أو ذاتيا بأشكال وطرق وتوصيلات مختلفة، وقد يكون
مزودا بعناصر حماية الدوائر الكهربائية (Fuses Or Relays) الكافية لحماية تلك الدائرة
المستخدم فيها،وتكون وظيفته إيصال التيار الكهربائي إلى الدارة الكهربائية حالة أنه يراد إيصاله ويقوم بفضل التيار الكهربائي- في حالة أنه يراد فصله .
أما الفصل الذاتي (Automatic) فيقوم به القاطع في حالة حدوث دائرة قصرSC أو خطأ((Fault أو زيادة الحمل أو التيار أو في حالة هبوط الجهد أو زيادته غير ذلك من إشارات يتلقاها من الأنواع المختلفة من ال(Relays) .

أجزاء القاطع :

أ) الملامس المتحرك :

ويكون من مادة جيدة التوصيل للكهرباء ووظيفته (مع الملامس الثابت) الوصل المباشر بين أطراف
المصدر الكهربائي وأطراف دائرة الحمل . وفي بعض القواطع خاصة ذات القدرات الكهربائية العالية تكون الملامسات المتحركة وكذلك الملامسات الثابتة ذات جزأين حيث يكون الجزء الثاني مضافا لوقاية الملامسات الرئيسية من آثار الشرر الكهربائي الذي يحصل عند الوصل و الفصل وتسمى الملامسات الأولى بالملامسات الرئيسية Main contact ، ويسمى الجزء الثاني من الملامس بملامسات امتصاص الشرر(ِِArcing contact ) ،ويتحكم الجزء الميكانيكي بحركة الملامس المتحرك حيث يقوم بوصله أو فصله عن الملامس الثابت حين نقوم بوصل أو فصل التيار الكهربائي للجزء الكهربائي.

ب) الملامس الثابت :

ويكون من مادة جيدة التوصيل للكهرباء ووظيفته مشتركة مع الملامس المتحرك، توجد هنالك ملامسات امتصاص شرر ثابتة تقابل ملامسات امتصاص الشرر المتحركة .

ج) الجزء الميكانيكي :

ويتحكم بحركة الملامس المتحرك ،حيث يقوم بوصله أو فصله بالملامس الثابت بعد أن يأخذ أمرا بذلك من الجزء الكهربائي ،ويأخذ الجزء الميكانيكي أشكالا وتركيبات وخواص تختلف باختلاف نوع القاطع و استخداماته وصناعته .
ومن أشكال الجزء الميكانيكي :
1) أن يكون تركيب ميكانيكي بسيط لزمبرك ،حيث يتم شحن الزمبرك بالبداية عند عملية الوصل وتفريغه عند عملية الفصل ، وهذا النوع شائع الاستعمال في القواطع البسيطة التركيب المستخدمة في دوائر كهربائية ذات تيارات مختلفة .وهذا النوع لا يمكن تشغيله أوتوماتيكيا إلا بإضافات خاصة .

2) أن يكون قلبا حديديا لملف مغناطيسي ذو تركيب ميكانيكي خاص :
حيث تتم عملية الوصل للقاطع بإيصال التيار الكهربائي للملف المغناطيسي حيث يتمغنط القلب المشدود بزمبرك بقوة أكبر من قوة شد الزمبرك ، وبالتالي يشحن الزمبرك الذي يستفاد من طاقة شحنه في عملية الفصل،و القلب بدوره يسحب معه الجزء الميكانيكي فتتم عملية الوصل ، وعندما نقوم بفصل التيار الكهربائي عن الملف تزول المغنطة فتقوم طاقة الشحن المخزونة في الزمبرك بإرجاع الزمبرك إلى وضعه الأصلي وبذلك تتم عملية الفصل .
وهذا النوع من القواطع شائع الاستعمال في دوائر التحكم (Control) التي تتعامل مع مصادر الجهود و التيارات المنخفضة و المتوسطة نسبيا ،وهذه يمكن تشغيله أوتوماتيكيا.
3)أن يكون آلة تشغيل ذات تركيب خاص وخواص معينة تناسب نوع الاستخدام حيث يمكن الاستفادة من طاقة شحن زمبركات خاصة بعملية الفصل أو الوصل ، ويتم الشحن إما يدويا(بتحريك جزء ميكانيكي معين ) ،أو كهربائيا (بواسطة محرك كهربائي) .وتتم عملية التشغيل أيضا إما يدويا(التحكم بحركة مزلاج مثلا) أو كهربائيا (استغلال الأثر المغناطيسي في التأثير على حركة المزلاج مثلا).
واستعمالات هذا النوع شائعة في قواطع الدوائر الكهربائية ذات الجهود العالية أو ذات التيارات العالية أو كلاهما. وهناك إمكانية تشغيل هذا النوع ذاتيا بالتحكم الكهربائي ، وكذلك يمكن التحكم به عن بعد (Remote control ) .

د) الجزء الكهربائي :

وهذا الجزء موجود فقط في القواطع التي يمكن تشغيلها كهربائيا ،وكما ذكر سابقا فإن وظيفة الجزء الكهربائي إما أن تكون لإعطاء أوامر الفصل و الوصل للجزء الميكانيكي وإما لشحن الزمبركات ،ويكون الجزء الكهربائي إما محرك كهربائي((Motor وإما أن يكون ملف مغناطيسي يتحكم بالجزء الميكانيكي بشكل مباشر أو غير مباشر.

ه) العازل بين الأقطاب :

وهذا الجزء تزداد أهميته كلما كان التعامل مع مصادر جهود وتيارات أعلى إذ يعمل هذا الجزء بمثابة حاجز يمنع التماس بين الأقطاب وبالتالي يمنع حدوث دوائر القصر (Short circuit ) بينها . والسبب الرئيسي لحدوث التماس بين الأقطاب هو الشرر الكهربائي الذي يحصل لحظة الفصل و الوصل .ونجد أن العازل في القواطع الصغيرة السعة هو عبارة عن نوع خاص من الزيوت العازلة ،وفي بعض الأنواع يكون هذا العازل غازا خاملا ضمن غرف مفرغة من الهواء ، وهناك العازل المحيط الذي تكون وظيفته عزل الأقطاب عن الأرض أو الجسم الذي تركب عليه وهو مهم جدا كعازل الأقطاب.

الشرر الكهربائي في القاطع الكهربائي :

تتعرض ملامسات القاطع عند لحظة الوصل لمرور تيار كهربائي عالي نسبيا يسمى(starting current) أو (Inrush current) تعتمد قيمته على الجهد المطبق في الدائرة وعلى محصلة مقاومات الحمل. و هذا التيار اللحظي يكون أضعاف قيمة تيار تشغيل الحمل لذا فإن الحمايات الموجودة يجب أن لا تفصل القاطع عند مرور هذا التيار اللحظي ويجب أن يضبط ال(ٍSetting ) لها ليعطي (Delay time ) معين . ولهذا يجب أن تكون ملامسات القاطع ذات درجة تحمل مناسبة لتحمل ذلك التيار .
وتحدث الشرارة الكهربائية على ملامسات كل قطب عند لحظة تماسها كذلك عند لحظة ابتعادها،وسبب حدوث هذه الشرارة هو تأين الهواء (كسر عاز ليته) الموجود ضمن مسافة معينة و في لحظة معينة بين الملامس المتحرك والملامس الثابت بسبب فرق الجهد الموجود بينهما،وتزداد هذه الشرارة كلما ازداد الفرق وكذلك كلما ازداد تشبع الهواء بالرطوبة و الغبار.

خطورة الشرر في القواطع الكهربائية :

يعتبر الشرر الحاصل في القواطع الكهربائية خطرا للأسباب التالية :

1) لأنه يسبب صهرا أو رفعا في درجة حرارة الملامسات و بالتالي إتلافها ويزداد تأثير ذلك كلما ازداد ت كمية الشرارة .
2) قد تسبب انحرافا تدريجيا في العازل الموجود بين الأقطاب إذا كان من النوع الصلب وبالتالي إتلافه وتوصيل الأقطاب ببعضها بواسطة الكربون المتكون نتيجة الاحتراق مما يؤدي إلى حدوث(Short circuit) بين الأقطاب .

وقد تم تصنيف القواطع الكهربائية ( Circuit breakers) بناء على طريقة إخماد الشرارة الكهربائية ، ومن هذه الأنواع الموجودة في محطة الحسين الحرارية.

Minimum oil circuit breaker :

ويستخدم هذا النوع من القواطع بالجهديةKV 132،حيث تكون الفازات الثلاثة مفصولة عن بعضها البعض ، ويستخدم لكل منها حجرة مملوءة بالزيت لإخماد القوس الكهربائي ،حيث يتم تنفيس الأبخرة التي تولدت نتيجة تحلل الزيت في منطقة الشرارة أثناء حركة الملامس المتحرك من القاطع وتقوم هذه الأبخرة بتوجيه كمية من الزيت كامل العزل الموجود في الحجرة لإخماد الشرارة والذي يتم فتحه وإغلاقه بواسطة قوة شد زنبرك.

SF6 Circuit Breaker :

تستخدم هذه القواطع في الوحدة السابعة بشكل استثنائي لنفس الجهديةKV 132،أما الغاز المستخدم فيها فهو غاز خامل وكثافته أكبر من كثافة الهواء بخمس مرات ومتانته الكهربائية تزداد بزيادة الضغط ،ونتيجة لارتفاع ثمن هذا الغاز فإنه من الممكن الحصول على خليط ذو متانة جيدة بواسطة خاطه بالهواء .
وتبرز أهمية هذا الغاز في إخماد القوس الكهربائي بصفته الكهروسلبية (Electronegative gas) حيث أنه يميل إلى كسب إلكترونات وعندما يتحرك الملامس المتحرك فإن غاز ال SF6سوف يندفع إلى حجرة الإخماد عاملا على كسب إلكترونات مشكلا أيونات سالبة غير متحركة نسبيا مما يسهل إطفاءه.

Bulk oil circuit breaker :

وهو النوع المستخدم عند مستوى الفولتية KV 33 وهي موزعة في المحطة على النحو التالي:
أ‌) على الأطراف الثانوية لمحولات الربط الأربعة Interbus transformers
KV33/132 .
ب‌) على الأطراف الثانوية لمحولات الغازية الأولى و الثانية KV 33/10.
ج) على الأطراف الابتدائية لمحولات الخدمة KV3.3/33 .
د) على الخطوط المزودة لشركة الكهرباء الأردنية ( (JEPCO.

عند فصل الملامسات وحدوث القوس ، فإن الزيت يتبخر ويتحلل إلى غاز بنسبة (50%) من الحجم وتكون كمية الزيت المتحللة قليلة ،إلا أن حجم الغاز المتكون كبير.

Vacuum circuit breaker :

وهو النوع المستخدم في محطة الحسين الحرارية عند مستوى الفولتية 3.3KV للوحدات اليابانية الصنع ،من الرابعة حتى السابعة.
آلية إخماد الشرارة في هذا النوع من ال(Circuit breaker ) تقوم على مبدأ تفريغ غرفة الملامسات (Contacts) لمنع حدوث تأين الهواء الذي يساعد على حدوث القوس .وتكون عملية الفتح والإغلاق بواسطة قوة شد زمبرك.

Air blast circuit breaker:

وهو النوع المستخدم في محطة الحسين الحرارية عند مستوى الفولتية 3.3KV للوحدات الإيطالية الصنع ،من الأولى حتى الثالثة،وهي تستخدم في المواقع التالية:
أ‌) على الأطراف الثانوية لمحولات الوحدة والخدمة.
ب‌) بدوائر محركات مياه التغذيةFeed water pumps (KV3.3 ) .
ج) محركات دفع الهواء Forced draft fans

ومن أهم ما يميز هذه القواطع:

1) تستخدم (Dc Motor) للف زمبرك قوي يعمل على جذب ذراع ميكانيكي مؤديا إلى وصل الدارة ،أما عملية الفتح فتتم بواسطة (Tripping coil) يؤدي إلى إفلات الزمبرك وإعادة الذراع إلى وضعها الأصلي .
2) يستخدم بهذا النوع من القواطع (Magnetic blow up coil ) وهو ملف يوضع على التوازي مع ذراع ميكانيكي ،حيث أن وصل هذا الذراع يعمل( Short circuit )على الملف وبالتالي لا يمر فيه تيار ،ولكن في حالة فتح الذراع يدخل هذا الملف بالدارة مولدا مجالا مغناطيسيا معاكسا لمجال الشرارة ،مما يدفع القوس الكهربائي إلى الأعلى داخلا غرف ذات فراغات صغيرة معزولة تؤدي إلى تقطيع الشرارة .
3) يستخدم بهذا النوع من القواطع مبدأ ال(Anti pumping) وذلك لمنع الإغلاق بحالة حدوث (Fault) مع استمرارية إعطاء إشارة للإغلاق،وذلك للمحافظة على الملامسات من العطب والانحراف جراء تكرار الفتح والإغلاق.

Air circuit breaker :

وهذا النوع من القواطع لا يستخدم تقنيات خاصة من أجل إطفاء الشرارة وذلك لأن القدرة لها قليلة مما شرارة صغيرة يسهل إطفاؤها.
وهذه القواطع تستخدم في محطة الحسين الحرارية في دوائر محركات (Air cooled condensate fans) ذات الفولتية V416 ويبلغ عددها لكل 99 موزعة كالتالي :
9 مراوح لكل من الوحدات الإيطالية الثلاث.
18 مروحة لكل من الوحدات اليابانية الأربعة.