رفتار کلیدهای خلاء و کلیدهای گازی

كليد خلاء (Vacuum Circuit Breaker)

از تاریخ ثبت اختراع تکنولوژی خلاء (Patent) در سال 1890 و ساخت نمونه عملی قطع کننده با تکنولوژی خلاء در سال 1920 ، فن آوری خلاء بعنوان روش موثرو کارا در خاموش کردن جرقه برای قطع جریان برق مورد پذیرش قرارگرفته است.

تولید صنعتی و انبوه کلیدهای خلاء از میانه دهه 1960 متداول شده وبه سرعت در شبکه های فشار متوسط تا سطح ولتاژ 36 کیلو ولت مورد استفاده قرارگرفته اند. گزارش های مثبت دریافتی در ارتباط با کیفیت عملکرد و اطمینان از تکنولوژی خلاء در حوزه فشار متوسط موید برتری این فن آوری در مقایسه با سایر تکنولوژی ها میباشد.

تلاش برای گسترش محدوده ولتاژی این فن آوری برای استفاده در سطوح ولتاژی بالاتر شروع شده است. برای اولین بار در سال 1980 ژاپن پیشگام در تولید و استفاده از کلید خلاء برای ولتاژ بالاتر از 36 کیلو ولت بیش از 000/10 عدد کلید خلاء 5/72 کیلو ولت تا سال 2010در صنایع و شرکت های برق نصب و راه اندازی کرده اند .

از سال 2008 تحقیق و توسعه برای تولید کلید های فشار قوی با تکنولوژی خلاء در چین و اروپا نیز شدت گرفت. موتور محرک تحقیقات فوق تلاش برای کاهش و نهایتا حذف گاز SF6 از چرخه تولید کلید میباشد.دلیل آن نیز  شدت تخریب محیط زیست و افزایش گرمایش زمین توسط گاز SF6 و تایید آن بعنوان گاز به شدت مخرب و گلخانه ای (Green House Gas ) میباشد.

فن آوری قطع جریان در خلاء

درك و تحليل پديده فيزيكي جرقه در محيط خلاء عامل اصلي پيشرفت و توسعه تكنولوژي قطع كننده­هاي خلاء بوده و هست.

ماهيت جرقه در محيط خلاء كاملاً متفاوت با جرقه در ساير محيط­هاي قطع جرقه مانند هوا و يا روغن و گاز مي­باشد. تعريف جرقه در محيط خلاء در حقيقت فوران بخار فلز آزاد شده ابر مانند در هنگام قطع جريان در هنگام جدا شدن كنتاكت­هاي حامل جريان كليد از يكديگر مي­باشد. پلاسماي بخار فلز داراي هدايت الكتريكي بسيار خوبي است كه با وجود دور شدن كنتاكت­ها از يكديگر ادامه عبور جريان و ايجاد جرقه الكتريكي را باعث می شود.

ايــن قوس تا هنگامی مي­تواند وجود داشته باشد كه جريان از حوالي نزديك به صفر نگذشته است. به محض عبور جريان از نقطه صفر (قطع خود به خود جريان) سطح كنتاكت­هاي هادي جريان خنك شده و تبخير متوقف میشود و بخار فلز پلاسما مجدداً روي كنتاكت­ها مي­نشيند، در نتيجه فضاي خالي بين دو كنتاكت­ كه اكنون فاقد حامل­هاي باردار است برگشت ولتاژ را بخوبي تحمل مي­كند و جرقه خاموش    مي­ماند. دي­الكتريك محيط خلاء در زماني كمتر از 10 ميكروثانيه پس از عبور از صفر جريان احيا مي­شود ( شکل 13 ).

در ميدان الكتريكي يكنواخت استقامت محيط خلاء به 10⁵V/mm مي­رسد.

در قطع جريان­هاي كوچك (كمتر از 10 كيلو آمپر) شكل جرقه درمحيط خلاء بصورت پراكنده و پخش مي­باشد، در صورتي كه در هنگام قطع جريان­هاي زياد (چندين ده كيلو آمپر) جرقه بصورت ستوني فشرده بين دو طرف كنتاكت در حال سوختن است. نحوه قطع شدن جريان در محيط خلاء به شكل و سايز و جنس كنتاكت­ها و همچنين مقدار جريان قطع بستگي كامل دارد.

جرقه پراكنده و پخش شده جريان­هاي كوچك بصورت رشته­هاي مجزا از يكديگر در تمام سطح كنتاكت توزيع شده كه هر يك حاصل چند ده تا چند صد آمپر خواهند بود. اما در قطع جريان­هاي  بالا ستون فشرده جرقه بوجود آمده باعث افزايش درجه حرارت بسيار زياد كنتاكت­ها بصورت موضعي و افزايش دانسيته بخار فلزي در محيط خلاء خواهد شد، بطوري كه حتي بعد از عبور صفر جريان نيز فلز كنتاكت­ها به تبخير خود ادامه خواهند داد. بنابراين بايستي كنتاكت­ها را طوري طراحي نمود كه شكل جرقه قبل از نزديك شدن جريان به صفر طبيعي از حالت ستون فشرده جرقه به حالت پخش تبديل شود ( شکل a 14 و b14 ).

خصوصيات محيط خلاء همانطور كه بيان شد به جنس و شكل كنتاكت­ها بستگي زيادي دارند. در طي زمان تحقيق و توسعه، آلياژهاي متفاوتي آزمايش شده است كه در نهايت مشخص شده است كه آلياژ كروم ـ مس بدون اكسيژن (Oxygen Free Copper Chromium) بهترين ماده براي توليد كنتاكت در محيط خلاء مي­باشد. آلياژ مذكور، كروم پخش شده بصورت دانه­هاي ريز در مس مي­باشد. اين ماده ويژگيهاي خوبي براي خاموش كردن جرقه را داشته، در ضمن اينكه تمايل كمي به جوش خوردن را دارد. با به كار بردن اين آلياژ جريان برشی قبل از عبور از صفر (Chopping Current) به حدود 4 تا 5 آمپر كاهش مي­يابد و بدين ترتيب حتي در هنگام قطع ترانسفورماتورهاي بدون بار توسط كليد خلاء نيز نمي­تواند اختلاف پتانسيل­هاي مزاحم زياد ايجاد شود.

در زمان قطع جريان­هاي زياد ستون بهم فشرده جرقه باعث ايجاد درجه حرارت زيادي بصورت موضعي خواهد شد. براي اينكه بتوانيم از يونيزاسيون كنتاكت­ها جلوگيري كنيم بايستي ريشه جرقه را از يك نقطه به تمام سطح كنتاكت جابجا نماييم تا جرقه در يك نقطه براي مدت طولاني باقي نماند. به منظور رسيدن به اين هدف با ايجاد شيارهاي مورب در سطح كنتاكت­ها مسير عبور جريان را هدايت نموده بطوريكه يك ميدان مغناطيسي مماس بر سطح كنتاكت و عمود بر محور جرقه ايجاد شود. اين ميدان شعاعي باعث چرخش سريع ريشه جرقه بر روي تمام نقاط كنتاكت شده و موجب پخش يكنواخت گرما به تمامي سطح كنتاكت و خوردگي يكنواخت آن مي­شود. كنتاكت­ها در اين روش به نام الكترودهاي ميدان مغناطيسي شعاعي یا RMF(Radial Magenetic Field Electrodes) مشهور هستند. اين نوع كنتاكت­ها براي جريان­هاي قطع تا 25 كيلوآمپر مناسب هستند ( شکل 15 ).

برای قطع جريان های زياد ( 2000 – 4000 A ) با افزايش تعداد نقاط تماس در سطوح کنتاکتها باعث تحمل حرارتي بيشتر کنتاکت خواهد شد.

 مطالعه و تحقيق براي قطع جريان­هاي بالاتر (تا 100 كيلوآمپر و بيشتر) منجر به كشف روش جديدي شد كه به روش ميدان مغناطيسي محوری و یاAMF  (Axial Magnetic Field) ناميده مي­شود. در اين روش ميدان مغناطيسي هم محور و موازي با محور جرقه ايجاد مي­شود. اين ميدان باعث چرخش محوري الكترون­هاي جرقه شده و قوس ايجاد شده در تمام سطح كنتاكت بصورت يكنواخت پراكنده مي­شوند ( شکل17 ).

در اين روش ولتاژ دو سر جرقه تا 20 ولت كاهش يافته و در نتيجه اين امكان را بوجود مي­آورد كه جريانهاي 100 تا 200 كيلوآمپر را بتوان قطع نمود.

مسير 1 تا 4 در شكل( 18 ) هادي­هاي عبور جريان بوده و محل تماس كنتاكت­ها در انتهاي هر مسير مي­باشد. نقطه­هاي سياه و علامت + حول مسير جريان مشخص كننده محور ميدان مغناطيسي (هم محور با مسير جرقه) مي­باشند.

فشار داخل کپسول های خلاء حدود Torr ^7- 10 ـ ^4-10 و طول مسير جابجايی كنتاكت­ها در كپسول خلاء حدود 6 تا 25 ميليمتر (بسته به ولتاژ و نوع طراحي) و سرعت قطع و وصل کنتاکت حدود يک متر بر ثانيه می باشد.

شکل ( 19 ) برش يک کپسول خلاء و شکل ( 20 ) يک کليد کلاسيک مجهز به قطع کننده خلاء را نمايش می دهند.

مكانيسم قطع و وصل كليد

مكانيسم تمام كليدها داراي يك وظيفه هستند و آن هم قطع و وصل مطمئن كليد پس از دريافت فرمان مربوطه. چنانچه در حين وصل كليد، فرمان قطع دريافت شود مكانيسم بايد بتواند فرمان وصل را متوقف و بطور كامل كليد را قطع كند.

بعضي از كليدها توانايي وصل و قطع مجدد كليد بدون نياز به شارژ دوباره كليد را دارند. دو سيكل تعريف شده براساس استاندارد IEC بشرح ذيل مي­باشند.

C0- 15sec-C0

and

O-0.3sec-Co-3min-C0

C=Closing O=Opening

زمان وصل مجدد 3/0 ثانيه فاصله زماني جدا شدن كنتاكت در هنگام قطع تا هنگام تماس مجدد جفت كنتاكت در هنگام وصل مي­باشد.

مكانيسم قطع و وصل كليد به چهار گروه اصلي ذيل تقسيم مي­شوند:

• مكانيسم قطع و وصل با فنر (Spring operated Mechanism )
• مكانيسم قطع و وصل با سلونوئيد- مغناطیس (Magentic Actuator  )

يكي از عوامل محدودکننده تعداد قطع و وصل در كليد، مكانيسم عمل كننده آن مي­باشد، در ضمن اينکه بيش از 50% بهای کليد را نيز تشکيل می دهد.

متداول­ترين مكانيسم قطع و وصل براي كليدهاي فشار متوسط مكانيسم با شارژ فنر مي­باشند كه براي قطع و وصل کلید از دو فنر استفاده مي­شود. فنرهای مذكور بصورت دستي و يا با الكتروموتور شارژ مي­شوند. براي تغيير حالت كليد، انرژي ذخيره شده در فنر به يكباره تخليه شده و مكانيسم عمل كننده را بحركت در ­مي­آورد.

مكانيسم­هاي كلاسيك بين 10.000 و حداكثر تا 20.000 بار امكان قطع و وصل کلید را دارند.

مكانيسم قطع و وصل در كليدهاي خلاء بدليل فاصله جابجايي كمتر كنتاكت نياز به انرژي به مراتب كمتر از كليدهاي روغني و گازي دارد، در نتيجه حجم و وزن آن نيز به مراتب كمتر خواهد بود ( شکل 21 ).

مكانيسم قطع و وصل مغناطیسی (Electro Magnetic Actuator)

مدرن ترین روش برای قطع و وصل کلید های خلاء که نیاز به انرژی کمی دارند استفاده از مکانیسم قطع و وصل الکترو مغناطیسی می باشد .

مكانيسم قطع و وصل با سلونوئيد براي كليدهاي خلاء مدرن كه نياز به جابجايي خيلي كوچك كنتاكت و در ضمن نيروي كمي دارند استفاده مي­شوند. در روش فوق هر يك از پل­هاي كليد داراي يك سلونوئيد مستقل مي­باشند كه هنگام تزريق جريان (بسته به جهت جريان) كنتاكت­هاي كليد باز و بسته مي­شوند. براي همزمان قطع و وصل شدن سه پل كليد يك محور همزمان كننده بصورت مكانيكي وظيفه سنكرون كردن سه پل را بعهده خواهد داشت. در اين روش بدليل عدم نياز به فنر و چرخ­دنده و ساير قطعات مكانيكي، مكانيسم خيلي ساده و سبك و داراي طول عمر زياد و بدون نياز به تعمير و نگهداري مي­باشند. اين نوع مكانيسم حداقل 30.000 بار و حتی تا 50.000 بار امكان قطع و وصل كليد را دارند.

Design concept of VCB with three monostable magnetic actuators

مقایسه دژنگتورهای خلاء با دژنگتورهای با گاز SF6

( Vacuum  Circuit Breaker) – GCB (Gas Insulated Circuit Breaker)VCB

• در کلید های SF6 وضعیت گاز باید بازدید شوند ولی در کلید های خلاء نیازی به این کار نمی باشد.
• انرژی لازم برای قطع و وصل کلید در خلاء حدود 20% کلید معادل SF6 میباشد در نتیجه وزن کلید خلاء بمراتب کمتر از کلید با فن آوری   SF6 است.
• تفاوت ما هوی بزرگی در فیزیک دو فن آوری وجود دارد. بطور مثال ولتاژ جرقه در کلیدهای خلاء ده ها ولت میباشد در صورتیکه در کلید های SF6 صدها ولت است، در ضمن اینکه طول زمان جرقه هنگام قطع جریان اتصال کوتاه در کلید های خلاء بمراتب کوتاه تر (5-7ms) از کلید های SF6 (10-15ms ) میباشد، و همچنین تعداد عملکرد کلید های خلاء به مراتب  بیشتر از کلید های SF6 است.
• در حال حاضر GCB تا ولتاژ 1100 کیلو ولت با دی الکتریک SF6 در حال کار میباشد. گاز SF6 بعنوان گاز گلخانه ای دولت ها، سرمایه گذاران، مصرف کنندگان،  تولید کنندگان و مردم را به تامل وا داشته است تا برای حفظ محیط زیست شرکت های توزیع نیروی برق را وادار به مدیریت در جهت عدم استفاده از این گاز نمایند.
• موفقیت های بزرگ در تولید و عملکرد کلیدهای خلاء در شبکه های توزیع نیروی برق کارشناسان و طراحان را به تلاش وا داشته است تا برای تولید کلید فشار قوی با ولتاژ بالاتر با تکنولوژی خلاء تحقیق و توسعه را گسترش دهند. امروزه کلید خلاء با ولتاژهای 5    کیلو ولت و 145کیلو ولت بصورت تجاری تولید میشود.

در آغاز سده 21 تحقیقات برای تولید قطع کننده های خلاء فشار قوی برای جلوگیری استفاده از گاز SF6 انگیزه و محرک شدیدی برای تولید کلید خلاء فشار قوی شده است.

کشورهای ژاپن و چین بیشترین تلاش را در تحقیقات فوق بکار بسته و گام های موثری در این راه بر داشته اند. تاکنون بیش از 000/10 دستگاه کلید فشار قوی 72.5 کیلو ولت در شبکه های ژاپن در حال کار می باشند.