القاطع الكهربائي

نظرة شمولية:

لتحليل عابرات التبديل البسيطة ولإجراء دراسات متعددة للأنظمة الكبيرة، غالباً ما يكون ذلك كافياً لبناء نموذج لقاطع الدائرة الكهربائية كمفتاح مثالي، وعند دراسة تفاعل القوس الكهربائي، بحيث يكون تأثير القوس الكهربائي على عناصر النظام الكهربائي ذو أهمية بالغة، فإن المعرفة الشاملة بالعمليات الفيزيائية بين جهات اتصال قاطع الدائرة أمراً ضرورياً للغاية.

يعتبر قاطع الدائرة الكهربائية عالية الجهد قطعة لا غنى عنها من المعدات في نظام الطاقة، تتمثل المهمة الرئيسية لقاطع الدائرة في إيقاف تيارات الأعطال وعزل الأجزاء المعيبة من النظام، إلى جانب تيارات دارة القصر، بحيث يجب أن يكون قاطع الدائرة قادراً أيضاً على مقاطعة مجموعة متنوعة من التيارات الأخرى في جهد النظام مثل التيارات الحثية الصغيرة وتيارات الحمل، يجب أن يكون القاطع الكهربائي في هذه الأوضاع وبشكل دائم:

• في وضع مغلق يكون موصل جيد.
  
• في الوضع المفتوح يتصرف كعزل جيد بين أجزاء النظام.
  
• يتغير في فترة زمنية قصيرة جدًا من الإغلاق إلى الفتح.
  
• لا يسبب الجهد الزائد أثناء التبديل.
  
• لا يسبب الجهد الزائد أثناء التبديل.
  

يعتبر القوس الكهربائي من أشباه موصلات باستثناء الطاقة، العنصر الوحيد المعروف والقادر على التغيير من حالة موصلة إلى حالة غير موصلة في فترة زمنية قصيرة، في قواطع الدائرة عالية الجهد، حيث يكون القوس الكهربائي عبارة عن قوس احتراق عالي الضغط في الزيت أو الهواء أو سادس فلوريد الكبريت (SF6)، أما في قواطع الجهد المتوسط ​​وفي كثير من الأحيان، يتم تطبيق حرق القوس منخفض الضغط في الفراغ لمقاطعة التيار، يتم إجراء انقطاع التيار عن طريق تبريد بلازما القوس، بحيث يختفي القوس الكهربائي، الذي يتشكل بين ملامسات القاطع بعد فصل التلامس.
يمكن إجراء عملية التبريد أو إطفاء القوس بطرق مختلفة، تُصنف قواطع دوائر الطاقة وفقًا لوسط الإطفاء في غرفة المقاطعة التي يتشكل فيها القوس، وهذا هو السبب في أننا نتحدث عن النفط والانفجار الهوائي و(SF6) وقواطع الدائرة الفراغية.

في عام 1907، حصل أول قاطع دارة نفطي على براءة اختراع من قبل (J.N.Kelman )، في الولايات المتحدة الأمريكية كانت المعدات بالكاد أكثر من زوج من جهات الاتصال مغمورة في خزان مملوء بالزيت، لقد حان وقت الاكتشاف عن طريق التجارب ومعظم تصميم القاطع تم عن طريق التجربة والخطأ في نظام الطاقة نفسه، في عام 1956 تم إصدار براءة الاختراع الأساسية على قواطع الدائرة التي تستخدم (SF6) إلى (T. E.Browne) ،(F. J. Lingal) )A. P.Strom)، في الوقت الحالي تستخدم غالبية قواطع الدائرة عالية الجهد (SF6) كوسيط إطفاء.

قام (J. Slepian) بالكثير لتوضيح طبيعة مشكلة قاطع الدائرة؛ لأن القوس الكهربائي أثبت أنه ظاهرة معقدة وعسيرة للغاية، حيث أدى كل صقل جديد في التقنية التجريبية إلى المزيد من المشاكل النظرية، حيث كان التطور العملي للقواطع خاصة في البداية عملياً إلى حد ما، ونادراً ما كان التصميم ممكناً كاستنتاج من المبادئ العلمية، وكان الكثيرمن اختبارات التطوير ضرورياً في المختبر عالي الطاقة، كما تم اتخاذ خطوة كبيرة إلى الأمام في فهم تفاعل القوس والدائرة في عام 1939 عندما نشر (AM Cassie) الورقة مع معادلته المعروفة لديناميكية القوس، ثم في عام 1943 تبعها (أوتو ماير)، مع الملحق الذي يعتني بالفاصل الزمني حول الصفر الحالي، بحيث تم عمل الكثير بعد ذلك؛ لتحسين رياضيات هذه المعادلات وتأكيد صلاحيتها المادية من خلال القياسات العملية.
يتضح أن الانقطاع الحالي عن طريق القوس الكهربائي هو عملية فيزيائية معقدة عندما ندرك أن عملية الانقطاع تحدث في ميكروثانية، وأن درجة حرارة البلازما في منطقة التيار العالي هي أكثر من 10000 كلفن، وانحطاط درجة الحرارة حول الصفر الحالي حوالي 2000 ك / ميكروثانية، بينما تكون حركات الغاز أسرع من الصوت.

لقد أدى فهم عملية الانقطاع الحالية إلى وجود قواطع دائرة (SF6) قادرة على قطع 63 كيلو أمبير، وذلك عند 550 كيلو فولت باستخدام عنصر مقاطعة واحد.

ما هو قوس التبديل؟

يلعب القوس الكهربائي في قاطع الدائرة الدور الرئيسي في عملية الانقطاع، وبالتالي غالباً ما يتم تناوله على أنه قوس التبديل، هو عبارة جهاز تحكم كهربائي عن بعد، ويتكون من قناة بلازما بين ملامسات الكسارة التي تشكلت بعد تفريغ الغاز في وسط الإطفاء، وعندما يتدفق تيار عبر قاطع الدائرة وملامسات جزء القاطع، مدفوعة بالآلية، لذا فإن الطاقة المغناطيسية المخزنة في محاثات نظام الطاقة تجبر التيارعلى التدفق.
قبل فصل التلامس مباشرة، تلامس نقاط التلامس بعضها البعض عند مساحة سطح صغيرة جداً وتجعل كثافة التيار العالية الناتجة مادة التلامس تذوب، تنفجر مادة التلامس الذائبة تقريباً وهذا يؤدي إلى تفريغ الغاز في الوسط المحيط سواء كان الهواء أو الزيت أو (SF6).

عندما تتجاوز الطاقة الحركية الجزيئية الطاقة المركبة، تتغير المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وعندما يتم إضافة المزيد من الطاقة عن طريق زيادة درجة الحرارة ويتم التغلب على القوى، كما تتغير المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.
تعطي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة للجزيئات الفردية الكثير من الطاقة بحيث تنفصل إلى ذرات منفصلة، وإذا زاد مستوى الطاقة بشكل أكبر، فإن الإلكترونات المدارية للذرات تنفصل إلى إلكترونات حرة الحركة، تاركة أيونات موجبة، وهذا يسمى حالة البلازما، بسبب الإلكترونات الحرة والأيونات الموجبة الأثقل في قناة البلازما ذات درجة الحرارة العالية، تكون قناة البلازما عالية التوصيل ويستمر التيار في التدفق بعد فصل التلامس.