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 جنبه­های زندگی از جمله طبیعت، اقتصاد، فن آوری و سلامت ما تأثیر گذار است. در حال حاضر ۵۰ درصد جمعیت جهان در شهرها زندگی می­کنند و تخمین زده می­شود این میزان در ۲۵ سال آینده به ۶۰ درصد افزایش یابد. از آنجا که ۷۵ درصد مصرف انرژی مستقیماً به شهرها مربوط می­شود، بنابراین شهرها به میزان زیادی در معرض اثرات تغییرات آب و هوا قرار دارند.

مجلس شورای اسلامی و شورای نگهبان قانون اساسی ایران، قانون الحاق ایران به پروتکل کیوتو را مورد تصویب قرار داده­اند و الحاق ایران به این پروتکل را به دبیر کل سازمان ملل اعلام نموده اند.

ایران متعهد شده است تا سال ۲۰۲۰ تمهیداتی برای کاهش گازهای گلخانه ای انجام دهد. در صورت ناتوانی در اجرای آن بایستی بیش از ۱۴ میلیارد دلار جریمه به سازمان ملل متحد پرداخت نماید.

یکی از مواردی که طبق پیمان کیوتو در صنعت برق و برای تجهیزات تا ولتاژهای فشار متوسط استفاده آن منع شده است گاز SF6 می­باشد.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 ۲۲.۲۰۰ برابر   CO2و طول عمر آن درجو بیش از ۱۰۰۰ 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 ۲۳ دلار استرالیا برای هر تن CO2  میباشد. برای گاز SF6 بدلیل درجه تخریب بالا (معادل ۲۲.۲۰۰ برابر CO2) رقم مالیات بر ورود هر تن SF6 بیش از ۵۰۰.۰۰۰ دلار استرالیا می باشد .

 از آغاز سال ۲۰۱۳ دولت کانادا جریمه سالیانه ای برابر ۲۵۰ 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 ۲۱ 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 کلیدهای خلاء بعنوان مدرن­ترین و پیشرفته­ترین جایگزین کلیدهای گازی (SF6) در محدوده ولتاژ متوسط تا سطح ۳۶ کیلو 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 کلیدهای خلاء در شبکه فشار متوسط (۳.۶KV-40.5VKV) به کل تولید کلیدهای فشار متوسط در اروپا ، امریکای شمالی، ژاپن۱۰۰درصد و در چین  ، هندوستان و آسیای جنوب شرقی نزدیک به ۸۵ درصد و در روسیه ، آمریکای جنوبی ، افریقا و خاورمیانه به بیش از ۹۰ درصد رسیده است.

مهم­ترین ویژگی­ها (در مقایسه با کلیدهای روغنی و گازی) که موجب استقبال و گسترش استفاده از کلیدهای خلاء شده است موارد زیر است:

• قابلیت اعتماد و اطمینان بالا (Higher Reliability)
• عدم نیاز به تعمیر و نگهداری (Maintanance Free)
• تعداد دفعات قطع و وصل بالا (Higher Mechanical & Electrical Endurance)
• غیر قابل انفجار و اشتعال (Explosion & Flame Safety)
• بهترین گزینه جهت استفاده در شرایط خاص و سخت (Heavy Duty)
• و مهم­ترین ویژگی آن، عدم آلودگی و سازگاری با محیط زیست (Ecological Purity) است.

امروزه تکنولوژی خلاء به اندازه کافی پیشرفت کرده است، بطوریکه در حال حاضر کلیدهای خلاء تا سطح ولتاژ ۱۴۵ کیلو ولت و توانایی قطع اتصال کوتاه تا سطح ۲۰۰ کیلو آمپردر سطح فشار متوسط و تا ۳۰۰ بار قطع جریان اتصال کوتاه نامی و ۰۰۰/۵۰ بار قطع در بار نامی تولید می شوند.

طول عمر و قابلیت اطمینان بیشتر و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری و عدم آلودگی محیط زیست مهمترین فاکتورهای مورد نظر در انتخاب کلید می­باشند.

وظیفه کلید قطع­کننده قدرت (Circuit Breaker) قطع و وصل مدار الکتریکی

در شرایط مختلف عبور جریان می­باشد. کلید مذکور باید توانایی جدا کردن دو سر کنتاکت و خاموش کردن قوس بوجود آمده را بدون تأثیر بر محیط اطراف و بی­درنگ داشته باشد، بدین منظور کلید باید شرایط و محیط عایقی لازم برای خاموش کردن جرقه الکتریکی  را دارا بوده و ضمناً تحمل ولتاژهای گذرای بوجود آمده در دو سر کنتاکت را در هنگام قطع جرقه داشته باشد. بنابراین مسئله اصلی، خاموش کردن جرقه و جایگزینی آن با ماده یا محیط عایقی است که توانایی جلوگیری از ادامه و برقراری مجدد عبور جریان بر اثر ولتاژ و یا جهش ولتاژ دو سر کنتاکت جدا شده را دارا باشد. مقدار جریانی که کلید بایستی قطع نماید از جریان نامی تا جریان اتصال کوتاه تعریف شده برای کلید خواهد بود.

در طول ۵۰ سال گذشته ولتاژ در شبکه­های انتقال نیروی برق تا ۷۵۰ کیلوولت و شبکه­های آزمایشی تا ۱۵۰۰ کیلو ولت افزایش یافته­اند. در ضمن اینکه مقادیر اتصال کوتاه شبکه­ها نیز از MVA 500 تا MVA 50000 افزایش داشته­اند.

زمان قطع نیز براساس نیاز شبکه به شدت کاهش یافته است. کلیدهای روغنی نیاز به زمان طولانی خاموش کردن قوس (حدود ۱۰ تا ۲۰ سیکل) دارد در صورتیکه با کلیدهای پیشرفته­تر این زمان حدود ۶ تا ۸ سیکل و در کلیدهای مدرن­تر حتی تا دو سیکل نیز کاهش یافته است.

در ۲۵ سال گذشته نیروگاه­های با ظرفیت زیاد و بهم پیوسته ، قدرت قطع را
در شبکه­های ۴۰۰ تا ۱۵۰۰ کیلو ولت به بیش از MVA 200000 افزایش داده­اند. هر چند که با روش­های محدود کردن سطح اتصال کوتاه از بالا رفتن آن جلوگیری می­کنند ولی به هرحال مشکلات طراحی کلیدهای با ظرفیت بالا و توانایی قطع در یک سیکل با در نظر گرفتن پایداری سیستم هنوز باقی 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 ۱۸۸۷ در مجارستان ثبت شده است .

در سال ۱۸۹۳ کلیدهایی با قطع کننده هوای فشرده ، روغنی و حتی با تکنولوژی خلاء به ثبت رسیده است . اولین کلیدهای روغنی حدود ۱۴۰سال 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 ۴۰ 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 ۱۹۹۰ 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 ۱۹۵۰ 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 ۱۹۲۶ تحقیقات بر روی قطع کننده خلاء در دانشکده فنی کالیفرنیا شروع و نوید استفاده مهندسی- بازرگانی آن داده شد ،در سال ۱۹۲۷ نتیجه تحقیقات توسط شرکت جنرال الکتریک خریداری شد ولی به دلیل بحران های مالی سال های پایانی دهه ۱۹۲۰ به مرحله تولید نرسید .

در سال ۱۹۵۶ اولین کلید خلاء ۱۵ کیلو ولت با جریان ۲۰۰ آمپر تولید شد . پنج سال بعد در شرکت جنرال الکتریک اولین کلید ۱۵ کیلو ولت با قدرت قطع ۲۵ کیلوآمپر و ۵/۳۱ کیلوآمپر تولید شدند ، ولی شروع جایگزینی با کلیدهای روغنی دهه ۱۹۷۰ بود .

از آغاز دهه ۱۹۸۰ کلیدهای خلاء بتدریج جایگزین کلیدهای SF6 در سطوح ولتاژی فشار متوسط شدند .

در حال حاضر کلیدهای خلاء تا سطح ولتاژ ۱۴۵ کیلو ولت و قدرت قطع ۲۰۰ 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 ۳۰۰ بار
• بدون نیاز به تعمیر و نگهداری
• حوزه وسیع قطع جریان – از جریان نامی تا %۱۲۵ 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.

ماهیت فیزیکی جرقه الکتریکی

زمانی که یک جفت کنتاکت حامل جریان برق در یک کلید بسته است، عملاً تعداد نقاط زیادی از نقاط دو سطح کنتاکت در دوسو با هم ارتباط الکتریکی برقرار نموده اند. تعداد نقاط مرتبط به فشار اعمال شده بر سطوح ارتباط جریان بستگی دارد.

در هنگام شروع به جدا شدن جفت کنتاکت­ها از یکدیگر نقاط برقراری جریان  و در  نتیجه سطح تماس الکتریکی کاهش می یابد ، که به معنای افزایش مقاومت بین دو کنتاکت خواهد بود که بر اثر جریان قطع، باعث افزایش درجه حرارت سطوح کنتاکت ها در هنگام قطع کلید خواهد شد. افزایش درجه حرارت زیاد دو سر کنتاکت با عث انتشار ذرات کنتاکت شده که در نتیجه با وجود جدا شدن کامل کنتاکت­ها هنوز تمایل به برقراری جریان از طریق بخار فلز وجود خواهد داشت. افزایش ولتاژ بین فاصله دو کنتاکت و مقاومت زیاد بین آنها باعث یونیزاسیون بیشتر شده و الکترون­های جدا شده سبب ادامه برقراری جریان بین جفت کنتاکت از طریق ابرالکترونی (پلاسما) خواهد شد . جرقه الکتریکی در حقیقت پدیده مذکور در بالا است.

در تمامی قطع کننده­ها جرقه به مانند یک مقاومت متغییر عمل می­کند. هنر و علم طراحی کلیدها در اصل کنترل جرقه ایجاد شده می­باشد ، بطوریکه تغییرات مقاومت جرقه بسته به نوع و مقدار جریان به شکلی باشد که عمل قطع بصورت موفقیت­آمیزی انجام پذیرد.

در هنگام قطع جریان مستقیم (DC) مقاومت جرقه باید به سرعت افزایش یافته بطوری که عبور جریان را اجباراً در زمان کوتاهی به صفر نزدیک نماید ولی نه به سرعتی که باعث ایجاد افزایش ناگهانی ولتاژ در اندوکتانس مدار الکتریکی مربوطه شود.

در قطع جریان متناوب (AC) بر عکس جریان مستقیم طراحان قطع کننده­های جریان متناوب هدف را کاهش هر چه بیشتر مقاومت جرقه قرار می­دهند. دلیل آن نیز کاهش درجه حرارت و انرژی حرارتی تولید شده در هنگام قطع کلید در زمان برقراری جرقه و در ضمن
کاهش هر چه سریعتر هدایت الکتریکی جرقه در چند میکرو ثانیه مانده به نقطه صفر عبور جریان می­باشد.

مشکل اساسی طراحان کلید، کنترل جرقه و افزایش سریع مقاومت در نقطه عبور
از صفر می­باشد تا باعث برقراری مجدد جرقه نشود.

محیط عایقی

گسترش صنعت برق و نیاز به شبکه­های انتقال با ولتاژ زیاد عدم کارایی خاموش کردن جرقه با عایق هوا در فشار طبیعی را آشکار نمود. استفاده از روغن بعنوان ماده عایقی یک موفقیت درخشان بود .

تا زمانی که سطح اتصال کوتاه و اندازه جریانی که  می بایستی قطع شوند کوچک بود استفاده از روغن روش مناسبی محسوب می­شد. با افزایش توان سیستم و نیاز به قطع و وصل جریان­های بیشتر در سطوح ولتاژی بالاتر و اشتعال و کربونیزه شدن روغن و هزینه سرویس و نگهداری کلیدهای روغنی، مهندسین و طراحان کلید را به پیدا کردن روش­های مناسب­تر و ماده عایقی با استقامت دی­الکتریک بیشتر وعدم اشتعال هدایت نمود.

استفاده از هوای فشرده (Air-­Blast) یکی از روش­های مناسب و منطقی و مورد تأیید طراحان و مهندسین قرارگرفت. این کلیدها بدلیل نیاز به کمپرسور و خطوط  هوای فشار بالا و همچنین صدای زیاد خیلی سریع با کشف خاصیت عایقی گاز SF6 با عدم استقبال مواجه شدند، هر چند هنوز هم این نوع کلید در پست­های فشار قوی قدیمی در حال بهره­برداری هستند.

رفتار جرقه در محیط گاز SF6

در اوائل دهه ۱۹۵۰ میلادی پژوهشگران متوجه خاصیت عایقی گاز SF6 شدند ولی اهمیت استفاده از آن بخصوص برای سطوح ولتاژ فشار متوسط از دهه ۱۹۶۰ آشکار شد.

مهمترین خواص گاز SF6 استقامت عایقی بالا و توانایی خاموش کنندگی بهتر آن
نسبت به هوا می­باشد. این گاز از نظر شیمیایی بی­بو، بی­رنگ و الکترونگاتیو می­باشد (خاصیت جذب الکترون آزاد)، در ضمن اینکه آتش نمی­گیرد. بیش از ۵ برابر سنگین­تر از هوا است و خاصیت دی­الکتریک آن ۳/۲ برابر هوا می باشد.

استقامت بالای دی الکتریک گاز SF6 این امکان را به مهندسین می­دهد تا بتوانند فواصل عایقی را کمتر کرده و فشار گاز را نیز کاهش دهند که حاصل آن سبک­تر شدن کلید
خواهد بود.

گاز SF6 تا درجه حرارت ۱۵۰ درجه سانتیگراد خنثی بوده و به قطعات فلزی و پلیمری و سایر مواد تشکیل دهنده پل­های کلید صدمه نخواهند زد.

در درجه حرارت بالا و قوس­های الکتریکی سنگین و کرونا، گاز SF6 تجزیه شده و بویژه
در مجاورت رطوبت باعث خورندگی شدید و تخریب مواد و قطعات تشکیل دهنده پل­ها خواهند شد شکل (۱).

بدین ترتیب بر خلاف تصور عمومی کلیدهای گازی SF6 نه تنها Maintanance Free نیستند بلکه بایستی بصورت دوره­ای پل­های کلید و به ویژه کنتاکت­های آن بازرسی شده و در صورت نیاز تعویض شوند، که این کار مستلزم هزینه زیاد می­باشد.

ترکیب گاز تجزیه شده در حرارت بالای جرقه وکرونا تجزیه شده و ماده خطرناک و سمی جدیدی با فرمول S2F10را بوجود می­آورد که در جنگ جهانی بعنوان بمب شیمیایی استفاده می­شد. این ترکیب در صورت جذب توسط ارگانیسم موجودات زنده کشنده بوده و به هیچ عنوان از آن خارج نمی­شود. طول عمر گاز SF6 در جو بیش از ۸۰۰ سال برآورد شده است.

مقاومت عایقی گاز SF6 در میدان الکتریکی یکنواخت خیلی بهتر از محیط غیریکنواخت عمل می­کند.گرد و خاک و ذرات خارجی بخصوص ذرات فلزی روی پل­های کلید یکی از عوامل موثر در غیریکنواخت کردن میدان الکتریکی می­باشد.

تخلیه الکتریکی کرونا و درجه حرارت زیاد، گاز SF6 را به SF4 و SF2 و S2F10 اتم فلوئور و گوگرد تجزیه می­کند ( شکل a2 ) که مواد تجزیه شده ( شکل b2 و جدول A ) اثرات مخرب زیادی بر روی مواد و ساختار پل­ها و به ویژه کنتاکت­های کلید را دارند و در صورت نشتی مشکلات زیست محیطی شدیدی را بوجود می­آورند.

جدول ذیل مقایسه خواص گاز SF6 با هوا و هیدروژن و ازت را نشان می­دهد.

همانطور که در جدول مذکور مشاهده می­شود ضریب حرارتی برای واحد حجم (انرژی لازم برای بالا بردن یک درجه سانتیگراد در حجم یک سانتیمتر مکعب) گاز SF6 بیشتر از ۴ برابر هوا می­باشد. در نتیجه مشخص می­شود که چرا گاز SF6 توانایی سرد کردن بهتر جرقه نسبت به هوا را دارد.

تبادل حرارتی طبیعی گاز SF6 حدود ۹/۱ برابر بهتر از هوا است ( شکل ۳ ) ، بنابراین در محیط گاز SF6 هادی­های حامل جریان تا ۲۰ درصد بیشتر از هوا توانایی عبور جریان را خواهند داشت. این بدین معناست که می­توان سطح مقطع هادی­ها را در محیط گاز SF6 کمتر نمود.

گاز SF6 از لحاظ شیمیایی تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد خنثی است، بنابراین می­توان افزایش درجه حرارت مس را از ۷۵ درجه سانتیگراد در هوا به ۹۰ درجه سانتیگراد در محیط گاز افزایش داد. مفهوم این افزایش درجه حرارت امکان افزایش جریان الکتریکی در سطح مقطع یکسان می­باشد ( شکل ۴ ).

یکی از اساسی­ترین مشکلات گاز SF6 تغییر حالت سریع از فاز گازی به مایع در درجه حرارت پایین می­باشد.بطور مثال گاز SF6 در فشار ۲۵MN/m^۲ و دانستیته ۱۰۵g/dm^۳ در صفر درجه سانیتگراد به مایع تبدیل می­شود در صورتیکه در فشار ۰.۴MN/m^۲ و دانستیته ۳۰g/dm^۳  در ۴۰- درجه سانتیگراد به مایع تبدیل می­شود. بدین ترتیب واضح است که در فشارهای بالاتر تغییر از حالت گازی به مایع در درجه حرارت­های بیشتر صورت می­گیرد  (شکل ۵ ).

کلیدهای گازی SF6 مانند کلیدهای Air – Blast با عبور سریع گاز بین کنتاکت­ها باعث سرد کردن و خاموش شدن جرقه خواهند شد. در شرایط مشابه توانایی خاموش کردن جرقه با گاز SF6 حدود ۴ تا ۵ برابر هوا خواهد بود. مقاومت جرقه در محیط SF6 کمتر از مقاومت جرقه در مجاورت هوا در نیم سیکل منتهی به خاموش شدن جرقه است.

جهت اطلاع، خاصیت عایقی گاز SF6 در فشار ۳ اتمسفر با روغن ترانسفورماتور قابل قیاس است.

کلید گازی (SF6)

کلیدهای گازی به دو گروه کلی تقسیم­بندی می­شوند. کلیدهای با فشار یگانه با افشانک (Puffer) و یا با انرژی جرقه فشار لازم جهت هدایت گاز به محیط جرقه را خود کلید هنگام جدا شدن کنتاکت­ها توسط پیستون متحرک کلید تولید می­کند و یا اینکه جابجایی گاز SF6 توسط انرژی ایجاد شده در جرقه بوجود آمده بر اثر قطع جریان الکتریکی ایجاد می شود.

در کلیدهای با فشار دوبل یا مضاعف انرژی لازم جهت جابجایی گاز بوسیله کمپرسور گاز جداگانه تأمین می­شود که به مانند کلیدهای هوای فشرده (Air- Blast) عمل می­نماید.

واضح است که برای هر کلید با فشار دوبل نیاز به کمپرسور و تجهیزات جدا همراه کلید می­باشد.

تا اوائل دهه ۱۹۷۰ فقط کلیدهای با فشار دوبل برای ولتاژهای بالا استفاده می­شد، لاکن با پیشرفت تکنولوژی کلیدهای تک فشار، استفاده از این تکنیک برای ولتاژهای بالاتر نیز امکان­پذیر شد. کلیدهای تک فشار ابتدا تا سطح ولتاژ ۱۴۵ کیلو ولت و جریان قطع۶۳ کیلو آمپر و متعاقباً تا سطح ولتاژ ۲۴۵ کیلو ولت و قدرت قطع ۸۰ و ۱۲۰ کیلو آمپر طراحی و ساخته شدند. انتظار می­رود در آینده نزدیک کلیدهای تولیدی با تکنیک تک فشار بیشترین بازار در ولتاژهای بالا در اختیار داشته باشند.

از ابتدای دهه ۱۹۷۰ کلیدهای تک فشار برای ولتاژهای ۱۲ و۲۴و ۳۶ کیلو ولت نیز برای شبکه­های فشار متوسط طراحی و تولید شدند. امروزه مدل­های متفاوتی از کلید تک فشار با روش افشانک (Puffer) و همچنین استفاده از انرژی جرقه تولید می­شوند.

کلید گازی فشار دوبل (Double Pressure Type)

بدلیل بهای زیاد گاز SF6 بر خلاف کلیدهای هوای فشرده (Air – Blast) گاز SF6 به مانند هوا در فضای آزاد تخلیه نمی­شود بلکه گاز فوت شده در جرقه مجدداً به مخرن اصلی برگشت داده می­شود.

روش عمل کلید بدینصورت است که گاز فشرده شده در مخزن (حدود ۱۶ اتمسفر) در هنگام قطع کلید به ناگهان و با سرعت زیاد با باز شدن یک شیر پنوماتیک از طریق یک قیف از جنس تفلون در محفظه قطع کن و در فاصله بین کنتاکت­ها ومحل جرقه تخلیه می­شود این عمل تا هنگامی که کنتاکت­ها کاملاً از یکدیگر جدا شوند ادامه دارد. در نقطه مرگ کنتاکت­های اصلی، فرمان بسته شدن شیر صادر و گاز تخلیه شده کم فشار مجدداً به مخزن کمپرسور پمپ خواهند شد. بدلیل اینکه گاز SF6 درفشار ۱۶ اتمسفر و درجه حرارت ۱۰ درجه سانتیگراد مایع می­شود بدین منظور همیشه بایستی مخزن محتوی گاز فشرده شده با گرم کن در درجه حرارت بالاتر نگهداری شود.

کلید گازی تک فشار (Single Pressure Type)

دلیل نام­گذاری کلید بنام کلید گازی تک فشار این است که گاز داخل محفظه قطع کننده کلید در اکثر مواقع در یک فشار ثابت بین ۳ تا ۶ اتمسفر قرار دارند.

الف: کلید گازی با افشانک (Puffer Breaker)

در این کلیدها گاز داخل محفظه هر یک از پل­ها در هنگام باز شدن کنتاکت کلید با حرکت سیلندر راهنمای کنتاکت و یا بوسیله کنتاکت متحرک پیستونی شکل، گاز SF6 با فشار از افشانک به سمت جرقه فوت می­شود. در شکل (۷) مقطع یک پل کلید ۱۴۵KV-40KA و در شکل (۸) یک پل کلید ۲۴KV-16KA نشان داده شده است.

زمانی که جفت کنتاکت از یکدیگر جدا می­شوند جرقه ایجاد شده باعث برقراری و ادامه جریان می­شود. اگر مقدار جریان زیاد نباشد جرقه در نقطه عبور صفر جریان خاموش می­شود. در صورتی که جریان قطع اتصال کوتاه زیاد باشد، خاموش شدن جرقه در اولین عبور از صفر جریان اتفاق نخواهد افتاد و جرقه باعث مسدود کردن افشانک و جلوگیری از عبور گاز SF6 می­نماید که در نتیجه فشار داخل پل افزایش یافته و در دومین و یا سومین عبور از صفر جریان، بسته به مقدار جریان اتصالی فشار افزایش یافته بصورت انفجاری گاز را از افشانک تخلیه نموده و جرقه را خاموش می­کند.

کلیدهای فشار قوی (۱۴۵KV) با تکنیک افشانک نیاز به مکانیسم سنگین برای باز کردن کنتاکت­ها و سرعت بالای ۷ تا ۹ متر بر ثانیه برای فشردن گاز و فوران آن از طریق افشانک دارند.

واضح است که مکانیسم قطع و وصل در کلیدهای فشار متوسط با روش فوق به مراتب کم قدرت­تر خواهند بود. دلیل آن نیاز به سرعت کمتر حدود ۳ تا ۵ متر بر ثانیه برای کلیدهای ۲۴ کیلو ولت می­باشد.

ب: کلیدهای گازی با تکنیک انرژی جرقه

بجای تولید فشار زیاد و عبور گاز از افشانک، این امکان وجود دارد که جرقه را در میدان مغناطیسی منحرف نموده و به دوران درآورد. تبادل حرارت بین جرقه و گاز ممکن است به حدی نباشد که جرقه خاموش شود بدلیل اینکه فقط سطح بیرونی جرقه تبادل حرارت می­نماید. خنک شدن کافی زمانی رخ می­دهد که انرژی جرقه، گاز SF6 داخل پل را به اندازه کافی گرم نموده و افزایش حجم گاز و اضافه فشار تولید شده بر اثر حرارت باعث فوران آن از افشانک شود. اضافه فشار ایجاد شده نسبت مستقیم با مقدار جریانی که باید قطع شود دارد. برای خاموش کردن جریانهای کم یک افشانک به مجموعه اضافه می­شود ( شکل ۹ ).

کلید قابل قطع زیر بار گازی (SF6)

براساس استاندارد IEC کلیدهای قابل قطع زیر بار (سکسیونر) برای تعداد ۱۰۰ بار قطع و وصل در بار نامی (بطور معمول ۶۳۰ آمپر در ولتاژ ۲۰KV (Class –E1) و ۱۰۰۰ بار قطع و وصل مکانیکی (Class –M1) طراحی و آزمایش می­شوند.

تعداد دفعات قطع و وصل در جریان کمتر با فرمول تجربی  N_۱I^۲_۱=KN_۲I^۲_۲ محاسبه می­شوند.

I_۱: جریان نامی

N_۱: تعداد دفعات قطع و وصل (CO)

I_۲: جریان کار

N_۲: تعداد دفعات قطع و وصل در جریان I2

K ضریبی معادل ۴/۱-۲/۱ می باشد که بستگی به درجه خلوص و فشار و حجم گاز SF6 داخل کلید دارد.

بطور مثال اگر جریان خط را معادل ۲۵۰ آمپر و کیفیت گاز را عالی فرض کنیم در نتیجه خواهیم داشت:

۲۵۰^۲× N_۲×۱.۲۵ = ۶۳۰^۲× ۱۰۰

N_۲=۵۰۰

اگر کلید فوق در پستی نصب شود که حداکثر یک بار در هفته قطع و وصل شود، عمر آن در بهترین شرایط ۱۰ 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 ۱۰.۰۰۰ بار قطع و وصل) در مقایسه با دژنگتور گازی (۳۰۰۰ 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.