قسمت اول مقاله مقایسه رفتار کلیدهای خلاء

رفتار کلیدهای گازی

مقدمه:

بر اساس گزارش کنفرانس تغییرات آب و هوا و گرمایش زمین در پاریس، ایران یکی از ده کشور نخست تولید کننده گازهای گلخانه ای است.

گرمایش زمین بر تمام جنبه­هاي زندگي از جمله طبيعت، اقتصاد، فن آوري و سلامت ما تأثير گذار است. در حال حاضر 50 درصد جمعيت جهان در شهرها زندگي مي­كنند و تخمين زده مي­شود اين ميزان در 25 سال آينده به 60 درصد افزايش يابد. از آنجا كه 75 درصد مصرف انرژي مستقيماً به شهرها مربوط مي­شود، بنابراين شهرها به ميزان زيادي در معرض اثرات تغييرات آب و هوا قرار دارند.

مجلس شوراي اسلامي و شوراي نگهبان قانون اساسي ايران، قانون الحاق ايران به پروتكل كيوتو را مورد تصويب قرار داده­اند و الحاق ايران به اين پروتكل را به دبير كل سازمان ملل اعلام نموده اند.

ایران متعهد شده است تا سال 2020 تمهیداتی برای کاهش گازهای گلخانه ای انجام دهد. در صورت ناتوانی در اجرای آن بایستی بیش از 14 میلیارد دلار جریمه به سازمان ملل متحد پرداخت نماید.

يكي از مواردي كه طبق پیمان كيوتو در صنعت برق و براي تجهيزات تا ولتاژهاي فشار متوسط استفاده آن منع شده است گاز SF6 مي­باشد.گاز SF6 از نظر شیمیایی گازی است به شدت پایدار، غیر قابل اشتعال،بی رنگ و بو با خاصیت دی الکتریک بسیار خوب و با توانایی انتقال حرارت بسیار عالی. درکنار خواص مناسب گاز SF6 در صنعت برق باید توجه شود که این گاز یکی از مخرب ترین ماده برای محیط زیست و گرمایش زمین میباشد.

درجه تخریب  ( Global Warming Potential) GWP  این گاز 22.200 برابر   CO2و طول عمر آن درجو بیش از 1000 سال برآورد شده است. زنجیره گاز SF6 در مجاورت جرقه و کرونا شکسته شده و بخشی از آن تبدیل به S2F10  میشود که به شدت سمی است.  درجه مسمومیت آن معادل گاز سمی فوسگن (Phosgene) است که در جنگ جهانی بعنوان بمب شیمیایی استفاده می شد.

انجمن های مدافع محیط زیست کنترل های شدیدی را برای اندازه گیری نشتی گاز SF6 انجام می دهند.کشور استرالیا از اولین کشور هایی است که مالیات بر ورود گاز SF6 را اعمال می نماید.جهت اطلاع مالیات فوق برابر 23 دلار استرالیا برای هر تن CO2  میباشد. برای گاز SF6 بدلیل درجه تخریب بالا (معادل 22.200 برابر CO2) رقم مالیات بر ورود هر تن SF6 بیش از 500.000 دلار استرالیا می باشد .

 از آغاز سال 2013 دولت کانادا جریمه سالیانه ای برابر 250 دلار کانادا بازای هر کیلو گرم گاز SF6 را دریافت می نماید. پارلمان اروپا قوانینی را به تصویب رسانده است که تولید کنندگان، وارد کنندگان و صادرکنندگان اروپایی باید تمامی جابجایی وعملیات روی این گاز در داخل و خارج اروپا را هر سال قبل از 21 مارس به کمیسیونی(EC1493/200) گزارش دهند. تمامی کلید ها و تابلوها و تجهیزات محتوی گاز SF6 باید با بر چسب مخصوص علامت گذاری شوند(EC1493/2007).

 پارلمان اروپا استفاده از گاز SF6 را فقط برای استفاده در کلید های فشارقوی– نه فشار متوسط- و براساس دستورالعمل خاصی صادر نموده است. تعمیرات تجهیزات فشار قوی محتوی گاز SF6 بایستی توسط کارشناسان متخصص و با مجوز مخصوص انجام پذیرد تا کمترین نشتی و انتشار گاز رخ دهد.

امروزه كليدهاي خلاء بعنوان مدرن­ترين و پيشرفته­ترين جايگزين كليدهاي گازي (SF6) در محدوده ولتاژ متوسط تا سطح 36 كيلو ولت مطرح هستند.

پاسخ اولیه ای که در برابر چرایی استفاده از کلید خلاء داده میشود مشکل گرمایش زمین و تخریب محیط زیست میباشد. آمار استفاده از كليدهاي خلاء در شبکه فشار متوسط (3.6KV-40.5VKV) به کل توليد کليدهای فشار متوسط در اروپا ، امريكای شمالی، ژاپن100درصد و در چین  ، هندوستان و آسیای جنوب شرقی نزدیک به 85 درصد و در روسیه ، آمریکای جنوبی ، افریقا و خاورمیانه به بیش از 90 درصد رسيده است.

مهم­ترين ويژگي­ها (در مقايسه با كليدهاي روغني و گازي) كه موجب استقبال و گسترش استفاده از كليدهاي خلاء شده است موارد زير است:

  • قابليت اعتماد و اطمينان بالا (Higher Reliability)
  • عدم نياز به تعمير و نگهداري (Maintanance Free)
  • تعداد دفعات قطع و وصل بالا (Higher Mechanical & Electrical Endurance)
  • غير قابل انفجار و اشتعال (Explosion & Flame Safety)
  • بهترين گزينه جهت استفاده در شرايط خاص و سخت (Heavy Duty)
  • و مهم­ترين ويژگي آن، عدم آلودگي و سازگاري با محيط زيست (Ecological Purity) است.

امروزه تكنولوژي خلاء به اندازه كافي پيشرفت كرده است، بطوريكه در حال حاضر كليدهای خلاء تا سطح ولتاژ 145 کیلو ولت و توانایی قطع اتصال كوتاه تا سطح 200 كيلو آمپردر سطح فشار متوسط و تا 300 بار قطع جریان اتصال کوتاه نامی و 000/50 بار قطع در بار نامی توليد می شوند.

طول عمر و قابليت اطمينان بيشتر و عدم نياز به تعمير و نگهداري و عدم آلودگي محيط زيست مهمترين فاكتورهاي مورد نظر در انتخاب كليد مي­باشند.

وظيفه كليد قطع­كننده قدرت (Circuit Breaker) قطع و وصل مدار الكتريكي

در شرايط مختلف عبور جريان مي­باشد. كليد مذكور بايد توانايي جدا كردن دو سر كنتاكت و خاموش كردن قوس بوجود آمده را بدون تأثير بر محيط اطراف و بي­درنگ داشته باشد، بدين منظور كليد بايد شرايط و محيط عايقي لازم براي خاموش كردن جرقه الکتریکی  را دارا بوده و ضمناً تحمل ولتاژهاي گذراي بوجود آمده در دو سر كنتاكت را در هنگام قطع جرقه داشته باشد. بنابراين مسئله اصلي، خاموش كردن جرقه و جايگزيني آن با ماده يا محيط عايقي است كه توانايي جلوگيري از ادامه و برقراري مجدد عبور جريان بر اثر ولتاژ و يا جهش ولتاژ دو سر كنتاكت جدا شده را دارا باشد. مقدار جرياني كه كليد بايستي قطع نمايد از جريان نامي تا جريان اتصال كوتاه تعريف شده براي كليد خواهد بود.

در طول 50 سال گذشته ولتاژ در شبكه­هاي انتقال نيروي برق تا 750 كيلوولت و شبكه­هاي آزمايشي تا 1500 كيلو ولت افزايش يافته­اند. در ضمن اينكه مقادير اتصال كوتاه شبكه­ها نيز از MVA 500 تا MVA 50000 افزايش داشته­اند.

زمان قطع نيز براساس نياز شبكه به شدت كاهش يافته است. كليدهاي روغني نياز به زمان طولاني خاموش كردن قوس (حدود 10 تا 20 سيكل) دارد در صورتيكه با كليدهاي پيشرفته­تر اين زمان حدود 6 تا 8 سيكل و در كليدهاي مدرن­تر حتي تا دو سيكل نيز كاهش يافته است.

در 25 سال گذشته نيروگاه­هاي با ظرفيت زياد و بهم پيوسته ، قدرت قطع را
در شبكه­هاي 400 تا 1500 كيلو ولت به بيش از MVA 200000 افزايش داده­اند. هر چند كه با روش­هاي محدود كردن سطح اتصال كوتاه از بالا رفتن آن جلوگيري مي­كنند ولي به هرحال مشكلات طراحي كليدهاي با ظرفيت بالا و توانايي قطع در يك سيكل با در نظر گرفتن پايداري سيستم هنوز باقي است.

تاریخچه کوتاه قطع کننده ها

شبکه های انتقال و توزیع بدون قطع کننده نمی توانست وجود داشته باشد ، دلیل آن نیاز به جدا سازی بخش های معیوب شبکه میباشند .

اختراع اولین قطع کننده در سال 1887 در مجارستان ثبت شده است .

در سال 1893 کلیدهایی با قطع کننده هوای فشرده ، روغنی و حتی با تکنولوژی خلاء به ثبت رسیده است . اولین کلیدهای روغنی حدود 140سال پیش با بشکه های چوبی پر از روغن و برای قطع هر فاز به صورت جداگانه در امریکا ساخته شدند که توانایی قطع فقط چند صد آمپر جریان را در ولتاژ 40 کیلو ولت داشتند.

کلید های نیمه روغن با ابعاد کوچکتر در اروپا ابداع و تولید شدند که جایگزین دژنگتورهای روغنی بشکه ای شدند . این نوع کلیدها تا ابتدای دهه 1990 مورد استفاده قرار میگرفتند که تولید آنها پس از آن متوقف نشدند .

کلید های هوای فشرده نیز در شبکه های انتقال و توزیع مورد مصرف داشتند ، که هنوز هم در بعضی نواحی سردکه استفاده از کلید های SF6 ممکن نیست ( به دلیل مایع شدن گاز SF6 در دمای پایین) در حال کار می باشند .

در دهه 1950 با کشف خاصیت عایقی گاز SF6 تولید کلیدهای گازی شروع شدند . این تکنولوژی در طی سال ها بهبود یافت و تاکنون تنها گزینه برای کلید زنی در شبکه های انتقال میباشند .

در سال 1926 تحقیقات بر روی قطع کننده خلاء در دانشکده فنی کالیفرنیا شروع و نوید استفاده مهندسی- بازرگانی آن داده شد ،در سال 1927 نتیجه تحقیقات توسط شرکت جنرال الکتریک خریداری شد ولی به دلیل بحران های مالی سال های پایانی دهه 1920 به مرحله تولید نرسید .

در سال 1956 اولین کلید خلاء 15 کیلو ولت با جریان 200 آمپر تولید شد . پنج سال بعد در شرکت جنرال الکتریک اولین کلید 15 کیلو ولت با قدرت قطع 25 کیلوآمپر و 5/31 کیلوآمپر تولید شدند ، ولی شروع جایگزینی با کلیدهای روغنی دهه 1970 بود .

از آغاز دهه 1980 کلیدهای خلاء بتدریج جایگزین کلیدهای SF6 در سطوح ولتاژی فشار متوسط شدند .

در حال حاضر کلیدهای خلاء تا سطح ولتاژ 145 کیلو ولت و قدرت قطع 200 کیلو آمپر به مرحله تولید رسیده اند .

برتری های کلیدهای خلاء

  • سازگار با محیط زیست
  • طول عمر الکتریکی قطع و وصل بیش از عمر مکانیکی کلید
  • توانایی قطع و وصل تا یک میلیون بار
  • توانایی قطع اتصال کوتاه نامی تا 300 بار
  • بدون نیاز به تعمیر و نگهداری
  • حوزه وسیع قطع جریان – از جریان نامی تا %125 جریان اتصال کوتاه نامی
  • قطع جریان های نامتقارن و جریان های بالاتر و پایین تر فرکانس نامی
  • قابلیت اطمینان بالای عملکرد در محیط های با خورندگی بالا و سمی و محیط های خطرناک با احتمال انفجار
  • قابلیت نصب در تمام جهات
  • بهترین گزینه برای کلید های فرسوده و تابلوهای قدیمی
  • توانایی هماهنگی بالا با تجهیزات کنترلی الکترونیکی و حفاظتی پیشرفته و مدرن
  • و در پایان ارزان ترین کلید با توجه به نسبت قیمت به طول عمر کلید و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری

امروزه کلیدهای خلاء برای شبکه های فشار قوی (Subtransmission) kv 5/72 و kv 145 بطور گسترده ای در ژاپن و چین استفاده می شوند . کشورهای اروپایی نیز شروع به استفاده از تکنولوژی خلاء در شبکه های بالاتر از فشار متوسط کرده اند.

ماهيت فيزيكي جرقه الكتريكي

زماني كه يك جفت كنتاكت حامل جريان برق در يك كليد بسته است، عملاً تعداد نقاط زيادي از نقاط دو سطح كنتاكت در دوسو با هم ارتباط الكتريكي برقرار نموده اند. تعداد نقاط مرتبط به فشار اعمال شده بر سطوح ارتباط جريان بستگي دارد.

در هنگام شروع به جدا شدن جفت كنتاكت­ها از يكديگر نقاط برقراري جریان  و در  نتيجه سطح تماس الكتريكي كاهش می یابد ، که به معناي افزايش مقاومت بين دو كنتاكت خواهد بود كه بر اثر جريان قطع، باعث افزايش درجه حرارت سطوح كنتاكت ها در هنگام قطع كليد خواهد شد. افزايش درجه حرارت زياد دو سر كنتاكت با عث انتشار ذرات كنتاكت شده كه در نتيجه با وجود جدا شدن كامل كنتاكت­ها هنوز تمايل به برقراري جريان از طريق بخار فلز وجود خواهد داشت. افزايش ولتاژ بين فاصله دو كنتاكت و مقاومت زياد بين آنها باعث يونيزاسيون بيشتر شده و الكترون­هاي جدا شده سبب ادامه برقراري جريان بين جفت كنتاكت از طریق ابرالکترونی (پلاسما) خواهد شد . جرقه الكتريكي در حقيقت پديده مذكور در بالا است.

در تمامي قطع كننده­ها جرقه به مانند يك مقاومت متغيير عمل مي­كند. هنر و علم طراحي كليدها در اصل كنترل جرقه ايجاد شده مي­باشد ، بطوريكه تغييرات مقاومت جرقه بسته به نوع و مقدار جريان به شكلي باشد كه عمل قطع بصورت موفقيت­آميزي انجام پذيرد.

در هنگام قطع جريان مستقيم (DC) مقاومت جرقه باید به سرعت افزايش يافته بطوري كه عبور جريان را اجباراً در زمان كوتاهي به صفر نزديك نمايد ولي نه به سرعتي كه باعث ايجاد افزايش ناگهاني ولتاژ در اندوكتانس مدار الكتريكي مربوطه شود.

در قطع جريان متناوب (AC) بر عكس جريان مستقيم طراحان قطع كننده­هاي جريان متناوب هدف را كاهش هر چه بيشتر مقاومت جرقه قرار مي­دهند. دليل آن نيز كاهش درجه حرارت و انرژي حرارتي توليد شده در هنگام قطع كليد در زمان برقراري جرقه و در ضمن
كاهش هر چه سريعتر هدايت الكتريكي جرقه در چند ميكرو ثانيه مانده به نقطه صفر عبور جريان مي­باشد.

مشكل اساسي طراحان كليد، كنترل جرقه و افزايش سريع مقاومت در نقطه عبور
از صفر مي­باشد تا باعث برقراري مجدد جرقه نشود.

محيط عايقي

گسترش صنعت برق و نياز به شبكه­هاي انتقال با ولتاژ زياد عدم كارايي خاموش كردن جرقه با عايق هوا در فشار طبيعي را آشكار نمود. استفاده از روغن بعنوان ماده عايقي يك موفقيت درخشان بود .

تا زماني كه سطح اتصال كوتاه و اندازه جرياني كه  می بايستي قطع شوند كوچك بود استفاده از روغن روش مناسبي محسوب مي­شد. با افزايش توان سيستم و نياز به قطع و وصل جريان­هاي بيشتر در سطوح ولتاژي بالاتر و اشتعال و كربونيزه شدن روغن و هزينه سرويس و نگهداري كليدهاي روغني، مهندسين و طراحان كليد را به پيدا كردن روش­هاي مناسب­تر و ماده عايقي با استقامت دي­الكتريك بيشتر وعدم اشتعال هدايت نمود.

استفاده از هواي فشرده (Air-­Blast) يكي از روش­هاي مناسب و منطقي و مورد تأييد طراحان و مهندسين قرارگرفت. اين كليدها بدليل نياز به كمپرسور و خطوط  هوای فشار بالا و همچنين صداي زياد خيلي سريع با كشف خاصيت عايقي گاز SF6 با عدم استقبال مواجه شدند، هر چند هنوز هم اين نوع كليد در پست­هاي فشار قوي قديمي در حال بهره­برداري هستند.

رفتار جرقه در محيط گاز SF6

در اوائل دهه 1950 ميلادي پژوهشگران متوجه خاصيت عايقي گاز SF6 شدند ولي اهميت استفاده از آن بخصوص براي سطوح ولتاژ فشار متوسط از دهه 1960 آشكار شد.

مهمترين خواص گاز SF6 استقامت عايقي بالا و توانايي خاموش كنندگي بهتر آن
نسبت به هوا مي­باشد. اين گاز از نظر شيميايي بي­بو، بي­رنگ و الكترونگاتيو مي­باشد (خاصيت جذب الكترون آزاد)، در ضمن اينكه آتش نمي­گيرد. بيش از 5 برابر سنگين­تر از هوا است و خاصيت دي­الكتريك آن 3/2 برابر هوا می باشد.

استقامت بالاي دي الكتريك گاز SF6 اين امكان را به مهندسين مي­دهد تا بتوانند فواصل عايقي را كمتر كرده و فشار گاز را نيز كاهش دهند كه حاصل آن سبك­تر شدن كليد
خواهد بود.

گاز SF6 تا درجه حرارت 150 درجه سانتيگراد خنثي بوده و به قطعات فلزي و پليمري و ساير مواد تشكيل دهنده پل­هاي كليد صدمه نخواهند زد.

در درجه حرارت بالا و قوس­هاي الكتريكي سنگين و کرونا، گاز SF6 تجزيه شده و بويژه
در مجاورت رطوبت باعث خورندگي شديد و تخريب مواد و قطعات تشكيل دهنده پل­ها خواهند شد شکل (1).

بدين ترتيب بر خلاف تصور عمومي كليدهاي گازي SF6 نه تنها Maintanance Free نيستند بلكه بايستي بصورت دوره­اي پل­هاي كليد و به ويژه كنتاكت­هاي آن بازرسي شده و در صورت نياز تعويض شوند، كه اين كار مستلزم هزينه زياد مي­باشد.

تركيب گاز تجزيه شده در حرارت بالای جرقه وکرونا تجزیه شده و ماده خطرناك و سمي جديدی با فرمول S2F10را بوجود مي­آورد كه در جنگ جهاني بعنوان بمب شيميايي استفاده مي­شد. اين تركيب در صورت جذب توسط ارگانيسم موجودات زنده كشنده بوده و به هيچ عنوان از آن خارج نمي­شود. طول عمر گاز SF6 در جو بیش از 800 سال برآورد شده است.

مقاومت عايقي گاز SF6 در ميدان الكتريكي يكنواخت خيلي بهتر از محيط غيريكنواخت عمل مي­كند.گرد و خاك و ذرات خارجي بخصوص ذرات فلزي روي پل­هاي كليد يكي از عوامل موثر در غيريكنواخت كردن ميدان الكتريكي مي­باشد.

تخليه الكتريكي كرونا و درجه حرارت زياد، گاز SF6 را به SF4 و SF2 و S2F10 اتم فلوئور و گوگرد تجزيه مي­كند ( شکل a2 ) كه مواد تجزيه شده ( شکل b2 و جدول A ) اثرات مخرب زيادي بر روي مواد و ساختار پل­ها و به ويژه كنتاكت­هاي كليد را دارند و در صورت نشتي مشكلات زيست محيطي شديدي را بوجود مي­آورند.

جدول ذيل مقايسه خواص گاز SF6 با هوا و هيدروژن و ازت را نشان مي­دهد.

همانطور كه در جدول مذكور مشاهده مي­شود ضريب حرارتي براي واحد حجم (انرژي لازم براي بالا بردن يك درجه سانتيگراد در حجم يك سانتيمتر مكعب) گاز SF6 بيشتر از 4 برابر هوا مي­باشد. در نتيجه مشخص مي­شود كه چرا گاز SF6 توانايي سرد كردن بهتر جرقه نسبت به هوا را دارد.

تبادل حرارتي طبيعي گاز SF6 حدود 9/1 برابر بهتر از هوا است ( شکل 3 ) ، بنابراين در محيط گاز SF6 هادي­هاي حامل جريان تا 20 درصد بيشتر از هوا توانايي عبور جريان را خواهند داشت. اين بدين معناست كه مي­توان سطح مقطع هادي­ها را در محيط گاز SF6 كمتر نمود.

گاز SF6 از لحاظ شيميايي تا 150 درجه سانتيگراد خنثي است، بنابراين مي­توان افزايش درجه حرارت مس را از 75 درجه سانتيگراد در هوا به 90 درجه سانتيگراد در محيط گاز افزايش داد. مفهوم اين افزايش درجه حرارت امكان افزايش جريان الكتريكي در سطح مقطع يكسان مي­باشد ( شکل 4 ).

يكي از اساسي­ترين مشكلات گاز SF6 تغيير حالت سريع از فاز گازي به مايع در درجه حرارت پايين مي­باشد.بطور مثال گاز SF6 در فشار 25MN/m2 و دانستيته 105g/dm3 در صفر درجه سانيتگراد به مايع تبديل مي­شود در صورتيكه در فشار 0.4MN/m2 و دانستيته 30g/dm3  در 40- درجه سانتيگراد به مايع تبديل مي­شود. بدين ترتيب واضح است كه در فشارهاي بالاتر تغيير از حالت گازي به مايع در درجه حرارت­هاي بيشتر صورت مي­گيرد  (شکل 5 ).

كليدهاي گازي SF6 مانند كليدهاي Air – Blast با عبور سريع گاز بين كنتاكت­ها باعث سرد كردن و خاموش شدن جرقه خواهند شد. در شرايط مشابه توانايي خاموش كردن جرقه با گاز SF6 حدود 4 تا 5 برابر هوا خواهد بود. مقاومت جرقه در محيط SF6 كمتر از مقاومت جرقه در مجاورت هوا در نيم سيكل منتهي به خاموش شدن جرقه است.

جهت اطلاع، خاصيت عايقي گاز SF6 در فشار 3 اتمسفر با روغن ترانسفورماتور قابل قياس است.

 

كليد گازي (SF6)

كليدهاي گازي به دو گروه كلي تقسيم­بندي مي­شوند. كليدهاي با فشار يگانه با افشانک (Puffer) و یا با انرژی جرقه فشار لازم جهت هدايت گاز به محيط جرقه را خود کلید هنگام جدا شدن كنتاكت­ها توسط پيستون متحرك كليد توليد مي­كند و يا اينكه جابجايي گاز SF6 توسط انرژي ايجاد شده در جرقه بوجود آمده بر اثر قطع جريان الکتریکی ایجاد می شود.

در كليدهاي با فشار دوبل يا مضاعف انرژي لازم جهت جابجايي گاز بوسيله كمپرسور گاز جداگانه تأمين مي­شود كه به مانند كليدهاي هواي فشرده (Air- Blast) عمل مي­نمايد.

واضح است كه براي هر كليد با فشار دوبل نياز به كمپرسور و تجهيزات جدا همراه كليد مي­باشد.

تا اوائل دهه 1970 فقط كليدهاي با فشار دوبل براي ولتاژهاي بالا استفاده مي­شد، لاكن با پيشرفت تكنولوژي كليدهاي تك فشار، استفاده از اين تكنيك براي ولتاژهاي بالاتر نيز امكان­پذير شد. كليدهاي تك فشار ابتدا تا سطح ولتاژ 145 كيلو ولت و جريان قطع63 كيلو آمپر و متعاقباً تا سطح ولتاژ 245 كيلو ولت و قدرت قطع 80 و 120 كيلو آمپر طراحي و ساخته شدند. انتظار مي­رود در آينده نزديك كليدهاي توليدي با تكنيك تك فشار بيشترين بازار در ولتاژهاي بالا در اختيار داشته باشند.

از ابتداي دهه 1970 كليدهاي تك فشار براي ولتاژهاي 12 و24و 36 كيلو ولت نيز براي شبكه­هاي فشار متوسط طراحي و توليد شدند. امروزه مدل­هاي متفاوتي از كليد تك فشار با روش افشانك (Puffer) و همچنين استفاده از انرژي جرقه توليد مي­شوند.

كليد گازي فشار دوبل (Double Pressure Type)

بدليل بهاي زياد گاز SF6 بر خلاف كليدهاي هواي فشرده (Air – Blast) گاز SF6 به مانند هوا در فضاي آزاد تخليه نمي­شود بلكه گاز فوت شده در جرقه مجدداً به مخرن اصلي برگشت داده مي­شود.

روش عمل كليد بدينصورت است كه گاز فشرده شده در مخزن (حدود 16 اتمسفر) در هنگام قطع كليد به ناگهان و با سرعت زياد با باز شدن يك شير پنوماتيك از طريق يك قيف از جنس تفلون در محفظه قطع كن و در فاصله بين كنتاكت­ها ومحل جرقه تخليه مي­شود اين عمل تا هنگامي كه كنتاكت­ها كاملاً از يكديگر جدا شوند ادامه دارد. در نقطه مرگ كنتاكت­هاي اصلي، فرمان بسته شدن شير صادر و گاز تخليه شده كم فشار مجدداً به مخزن كمپرسور پمپ خواهند شد. بدليل اينكه گاز SF6 درفشار 16 اتمسفر و درجه حرارت 10 درجه سانتيگراد مايع مي­شود بدين منظور هميشه بايستي مخزن محتوي گاز فشرده شده با گرم كن در درجه حرارت بالاتر نگهداري شود.

 

كليد گازي تك فشار (Single Pressure Type)

دليل نام­گذاري كليد بنام كليد گازي تك فشار اين است كه گاز داخل محفظه قطع كننده كليد در اكثر مواقع در يك فشار ثابت بين 3 تا 6 اتمسفر قرار دارند.

 

الف: كليد گازي با افشانك (Puffer Breaker)

در اين كليدها گاز داخل محفظه هر يك از پل­ها در هنگام باز شدن كنتاكت كليد با حركت سيلندر راهنماي كنتاكت و يا بوسيله كنتاكت متحرك پيستوني شكل، گاز SF6 با فشار از افشانك به سمت جرقه فوت مي­شود. در شكل (7) مقطع يك پل كليد 145KV-40KA و در شكل (8) يك پل كليد 24KV-16KA نشان داده شده است.

زماني كه جفت كنتاكت از يكديگر جدا مي­شوند جرقه ايجاد شده باعث برقراري و ادامه جريان مي­شود. اگر مقدار جريان زياد نباشد جرقه در نقطه عبور صفر جريان خاموش مي­شود. در صورتي كه جريان قطع اتصال كوتاه زياد باشد، خاموش شدن جرقه در اولين عبور از صفر جريان اتفاق نخواهد افتاد و جرقه باعث مسدود كردن افشانك و جلوگيري از عبور گاز SF6 مي­نمايد كه در نتيجه فشار داخل پل افزايش يافته و در دومين و يا سومين عبور از صفر جريان، بسته به مقدار جريان اتصالي فشار افزايش يافته بصورت انفجاري گاز را از افشانك تخليه نموده و جرقه را خاموش مي­كند.

كليدهاي فشار قوي (145KV) با تكنيك افشانك نياز به مكانيسم سنگين براي باز كردن كنتاكت­ها و سرعت بالاي 7 تا 9 متر بر ثانيه براي فشردن گاز و فوران آن از طريق افشانك دارند.

واضح است كه مكانيسم قطع و وصل در كليدهاي فشار متوسط با روش فوق به مراتب كم قدرت­تر خواهند بود. دليل آن نياز به سرعت كمتر حدود 3 تا 5 متر بر ثانيه براي كليدهاي 24 كيلو ولت مي­باشد.

ب: كليدهاي گازي با تكنيك انرژي جرقه

بجاي توليد فشار زياد و عبور گاز از افشانك، اين امكان وجود دارد كه جرقه را در ميدان مغناطيسي منحرف نموده و به دوران درآورد. تبادل حرارت بين جرقه و گاز ممكن است به حدي نباشد كه جرقه خاموش شود بدليل اينكه فقط سطح بيروني جرقه تبادل حرارت مي­نمايد. خنك شدن كافي زماني رخ مي­دهد كه انرژي جرقه، گاز SF6 داخل پل را به اندازه كافي گرم نموده و افزايش حجم گاز و اضافه فشار توليد شده بر اثر حرارت باعث فوران آن از افشانك شود. اضافه فشار ايجاد شده نسبت مستقيم با مقدار جرياني كه بايد قطع شود دارد. براي خاموش كردن جريانهاي كم يك افشانك به مجموعه اضافه مي­شود ( شكل 9 ).

کلید قابل قطع زیر بار گازی (SF6)

براساس استاندارد IEC کلیدهای قابل قطع زیر بار (سکسیونر) برای تعداد 100 بار قطع و وصل در بار نامی (بطور معمول 630 آمپر در ولتاژ 20KV (Class –E1) و 1000 بار قطع و وصل مکانیکی (Class –M1) طراحی و آزمایش می­شوند.

تعداد دفعات قطع و وصل در جریان کمتر با فرمول تجربی  N1I21=KN2I22 محاسبه می­شوند.

I1: جریان نامی

N1: تعداد دفعات قطع و وصل (CO)

I2: جریان کار

N2: تعداد دفعات قطع و وصل در جریان I2

K ضریبی معادل 4/1-2/1 می باشد که بستگی به درجه خلوص و فشار و حجم گاز SF6 داخل کلید دارد.

بطور مثال اگر جریان خط را معادل 250 آمپر و کیفیت گاز را عالی فرض کنیم در نتیجه خواهیم داشت:

2502× N2×1.25 = 6302× 100

N2=500

اگر کلید فوق در پستی نصب شود که حداکثر یک بار در هفته قطع و وصل شود، عمر آن در بهترین شرایط 10 سال خواهد بود. نتیجه اینکه اصولاً سکسیونر برای نقاطی که تعداد دفعات مانور زیاد باشد مناسب نیست و بهتر است که در نقاط مانوری به جای سکسیونر از دژنگتور استفاده شود.

روشن است که استفاده از دژنگتور خلاء بدلیل عدم آلودگی و تعمیر و نگهداری به مراتب کمتر و توانایی تعداد قطع و وصل بیشتر (حداقل 10.000 بار قطع و وصل) در مقایسه با دژنگتور گازی (3000 بار قطع و وصل) به مراتب بهتر است.

قابل به ذکر است که کلیدهای گازی SF6 در سه مرحله باعث آلودگی و تخریب محیط زیست    می­شوند.

  1. در هنگام تولید و تزریق گاز به محفظه قطع کننده کلید.
  2. در هنگام بهره­برداری و احتمال نشت گاز SF6 به محیط اطراف
  3. نگران کننده ترین بخش مربوط به پایان عمر کلید است که بایستی گاز SF6 و مواد سمی تولید شده در کلید خارج و نابود شوند. این مرحله نیاز به تجهیزات خاص و گران قیمت و متخصصین آموزش دیده دارد، که باعث تحمیل هزینه های سنگین و مشکلات و نگرانی­های متعدد خواهد شد.

 

 

دیدگاهتان را بنویسید