رفتار کلیدهای خلاء و کلیدهای گازی

کلید خلاء (Vacuum Circuit Breaker)

از تاریخ ثبت اختراع تکنولوژی خلاء (Patent) در سال ۱۸۹۰ و ساخت نمونه عملی قطع کننده با تکنولوژی خلاء در سال ۱۹۲۰ ، 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 ۱۹۶۰ متداول شده وبه سرعت در شبکه های فشار متوسط تا سطح ولتاژ ۳۶ 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 ۱۹۸۰ ژاپن پیشگام در تولید و استفاده از کلید خلاء برای ولتاژ بالاتر از ۳۶ کیلو ولت بیش از ۰۰۰/۱۰ عدد کلید خلاء ۵/۷۲ کیلو ولت تا سال ۲۰۱۰در صنایع و شرکت های برق نصب و راه اندازی کرده اند .

از سال ۲۰۰۸ 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

درک و تحلیل پدیده فیزیکی جرقه در محیط خلاء عامل اصلی پیشرفت و توسعه تکنولوژی قطع کننده­های خلاء بوده و هست.

ماهیت جرقه در محیط خلاء کاملاً متفاوت با جرقه در سایر محیط­های قطع جرقه مانند هوا و یا روغن و گاز می­باشد. تعریف جرقه در محیط خلاء در حقیقت فوران بخار فلز آزاد شده ابر مانند در هنگام قطع جریان در هنگام جدا شدن کنتاکت­های حامل جریان کلید از یکدیگر می­باشد. پلاسمای بخار فلز دارای هدایت الکتریکی بسیار خوبی است که با وجود دور شدن کنتاکت­ها از یکدیگر ادامه عبور جریان و ایجاد جرقه الکتریکی را باعث می شود.

ایــن قوس تا هنگامی می­تواند وجود داشته باشد که جریان از حوالی نزدیک به صفر نگذشته است. به محض عبور جریان از نقطه صفر (قطع خود به خود جریان) سطح کنتاکت­های هادی جریان خنک شده و تبخیر متوقف میشود و بخار فلز پلاسما مجدداً روی کنتاکت­ها می­نشیند، در نتیجه فضای خالی بین دو کنتاکت­ که اکنون فاقد حامل­های باردار است برگشت ولتاژ را بخوبی تحمل می­کند و جرقه خاموش    می­ماند. دی­الکتریک محیط خلاء در زمانی کمتر از ۱۰ میکروثانیه پس از عبور از صفر جریان احیا می­شود ( شکل ۱۳ ).

در میدان الکتریکی یکنواخت استقامت محیط خلاء به ۱۰^۵V/mm می­رسد.

در قطع جریان­های کوچک (کمتر از ۱۰ کیلو آمپر) شکل جرقه درمحیط خلاء بصورت پراکنده و پخش می­باشد، در صورتی که در هنگام قطع جریان­های زیاد (چندین ده کیلو آمپر) جرقه بصورت ستونی فشرده بین دو طرف کنتاکت در حال سوختن است. نحوه قطع شدن جریان در محیط خلاء به شکل و سایز و جنس کنتاکت­ها و همچنین مقدار جریان قطع بستگی کامل دارد.

جرقه پراکنده و پخش شده جریان­های کوچک بصورت رشته­های مجزا از یکدیگر در تمام سطح کنتاکت توزیع شده که هر یک حاصل چند ده تا چند صد آمپر خواهند بود. اما در قطع جریان­های  بالا ستون فشرده جرقه بوجود آمده باعث افزایش درجه حرارت بسیار زیاد کنتاکت­ها بصورت موضعی و افزایش دانسیته بخار فلزی در محیط خلاء خواهد شد، بطوری که حتی بعد از عبور صفر جریان نیز فلز کنتاکت­ها به تبخیر خود ادامه خواهند داد. بنابراین بایستی کنتاکت­ها را طوری طراحی نمود که شکل جرقه قبل از نزدیک شدن جریان به صفر طبیعی از حالت ستون فشرده جرقه به حالت پخش تبدیل شود ( شکل a 14 و b14 ).

خصوصیات محیط خلاء همانطور که بیان شد به جنس و شکل کنتاکت­ها بستگی زیادی دارند. در طی زمان تحقیق و توسعه، آلیاژهای متفاوتی آزمایش شده است که در نهایت مشخص شده است که آلیاژ کروم ـ مس بدون اکسیژن (Oxygen Free Copper Chromium) بهترین ماده برای تولید کنتاکت در محیط خلاء می­باشد. آلیاژ مذکور، کروم پخش شده بصورت دانه­های ریز در مس می­باشد. این ماده ویژگیهای خوبی برای خاموش کردن جرقه را داشته، در ضمن اینکه تمایل کمی به جوش خوردن را دارد. با به کار بردن این آلیاژ جریان برشی قبل از عبور از صفر (Chopping Current) به حدود ۴ تا ۵ آمپر کاهش می­یابد و بدین ترتیب حتی در هنگام قطع ترانسفورماتورهای بدون بار توسط کلید خلاء نیز نمی­تواند اختلاف پتانسیل­های مزاحم زیاد ایجاد شود.

در زمان قطع جریان­های زیاد ستون بهم فشرده جرقه باعث ایجاد درجه حرارت زیادی بصورت موضعی خواهد شد. برای اینکه بتوانیم از یونیزاسیون کنتاکت­ها جلوگیری کنیم بایستی ریشه جرقه را از یک نقطه به تمام سطح کنتاکت جابجا نماییم تا جرقه در یک نقطه برای مدت طولانی باقی نماند. به منظور رسیدن به این هدف با ایجاد شیارهای مورب در سطح کنتاکت­ها مسیر عبور جریان را هدایت نموده بطوریکه یک میدان مغناطیسی مماس بر سطح کنتاکت و عمود بر محور جرقه ایجاد شود. این میدان شعاعی باعث چرخش سریع ریشه جرقه بر روی تمام نقاط کنتاکت شده و موجب پخش یکنواخت گرما به تمامی سطح کنتاکت و خوردگی یکنواخت آن می­شود. کنتاکت­ها در این روش به نام الکترودهای میدان مغناطیسی شعاعی یا RMF(Radial Magenetic Field Electrodes) مشهور هستند. این نوع کنتاکت­ها برای جریان­های قطع تا ۲۵ کیلوآمپر مناسب هستند ( شکل ۱۵ ).

برای قطع جریان های زیاد ( ۲۰۰۰ – ۴۰۰۰ A ) با افزایش تعداد نقاط تماس در سطوح کنتاکتها باعث تحمل حرارتی بیشتر کنتاکت خواهد شد.

 مطالعه و تحقیق برای قطع جریان­های بالاتر (تا ۱۰۰ کیلوآمپر و بیشتر) منجر به کشف روش جدیدی شد که به روش میدان مغناطیسی محوری و یاAMF  (Axial Magnetic Field) نامیده می­شود. در این روش میدان مغناطیسی هم محور و موازی با محور جرقه ایجاد می­شود. این میدان باعث چرخش محوری الکترون­های جرقه شده و قوس ایجاد شده در تمام سطح کنتاکت بصورت یکنواخت پراکنده می­شوند ( شکل۱۷ ).

در این روش ولتاژ دو سر جرقه تا ۲۰ ولت کاهش یافته و در نتیجه این امکان را بوجود می­آورد که جریانهای ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلوآمپر را بتوان قطع نمود.

مسیر ۱ تا ۴ در شکل( ۱۸ ) هادی­های عبور جریان بوده و محل تماس کنتاکت­ها در انتهای هر مسیر می­باشد. نقطه­های سیاه و علامت + حول مسیر جریان مشخص کننده محور میدان مغناطیسی (هم محور با مسیر جرقه) می­باشند.

فشار داخل کپسول های خلاء حدود Torr ^۷- ۱۰ ـ ^۴-۱۰ و طول مسیر جابجایی کنتاکت­ها در کپسول خلاء حدود ۶ تا ۲۵ میلیمتر (بسته به ولتاژ و نوع طراحی) و سرعت قطع و وصل کنتاکت حدود یک متر بر ثانیه می باشد.

شکل ( ۱۹ ) برش یک کپسول خلاء و شکل ( ۲۰ ) یک کلید کلاسیک مجهز به قطع کننده خلاء را نمایش می دهند.

مکانیسم قطع و وصل کلید

مکانیسم تمام کلیدها دارای یک وظیفه هستند و آن هم قطع و وصل مطمئن کلید پس از دریافت فرمان مربوطه. چنانچه در حین وصل کلید، فرمان قطع دریافت شود مکانیسم باید بتواند فرمان وصل را متوقف و بطور کامل کلید را قطع کند.

بعضی از کلیدها توانایی وصل و قطع مجدد کلید بدون نیاز به شارژ دوباره کلید را دارند. دو سیکل تعریف شده براساس استاندارد IEC بشرح ذیل می­باشند.

C0- 15sec-C0

and

O-0.3sec-Co-3min-C0

C=Closing O=Opening

زمان وصل مجدد ۳/۰ ثانیه فاصله زمانی جدا شدن کنتاکت در هنگام قطع تا هنگام تماس مجدد جفت کنتاکت در هنگام وصل می­باشد.

مکانیسم قطع و وصل کلید به چهار گروه اصلی ذیل تقسیم می­شوند:

• مکانیسم قطع و وصل با فنر (Spring operated Mechanism )
• مکانیسم قطع و وصل با سلونوئید- مغناطیس (Magentic Actuator  )

یکی از عوامل محدودکننده تعداد قطع و وصل در کلید، مکانیسم عمل کننده آن می­باشد، در ضمن اینکه بیش از ۵۰% بهای کلید را نیز تشکیل می دهد.

متداول­ترین مکانیسم قطع و وصل برای کلیدهای فشار متوسط مکانیسم با شارژ فنر می­باشند که برای قطع و وصل کلید از دو فنر استفاده می­شود. فنرهای مذکور بصورت دستی و یا با الکتروموتور شارژ می­شوند. برای تغییر حالت کلید، انرژی ذخیره شده در فنر به یکباره تخلیه شده و مکانیسم عمل کننده را بحرکت در ­می­آورد.

مکانیسم­های کلاسیک بین ۱۰.۰۰۰ و حداکثر تا ۲۰.۰۰۰ بار امکان قطع و وصل کلید را دارند.

مکانیسم قطع و وصل در کلیدهای خلاء بدلیل فاصله جابجایی کمتر کنتاکت نیاز به انرژی به مراتب کمتر از کلیدهای روغنی و گازی دارد، در نتیجه حجم و وزن آن نیز به مراتب کمتر خواهد بود ( شکل ۲۱ ).

مکانیسم 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 .

مکانیسم قطع و وصل با سلونوئید برای کلیدهای خلاء مدرن که نیاز به جابجایی خیلی کوچک کنتاکت و در ضمن نیروی کمی دارند استفاده می­شوند. در روش فوق هر یک از پل­های کلید دارای یک سلونوئید مستقل می­باشند که هنگام تزریق جریان (بسته به جهت جریان) کنتاکت­های کلید باز و بسته می­شوند. برای همزمان قطع و وصل شدن سه پل کلید یک محور همزمان کننده بصورت مکانیکی وظیفه سنکرون کردن سه پل را بعهده خواهد داشت. در این روش بدلیل عدم نیاز به فنر و چرخ­دنده و سایر قطعات مکانیکی، مکانیسم خیلی ساده و سبک و دارای طول عمر زیاد و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری می­باشند. این نوع مکانیسم حداقل ۳۰.۰۰۰ بار و حتی تا ۵۰.۰۰۰ بار امکان قطع و وصل کلید 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 ۲۰% 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 (۵-۷ms) 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 ۱۱۰۰ 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 ۵    کیلو ولت و ۱۴۵کیلو ولت بصورت تجاری تولید میشود.

در آغاز سده ۲۱ 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 ۰۰۰/۱۰ دستگاه کلید فشار قوی ۷۲.۵ کیلو ولت در شبکه های ژاپن در حال کار می باشند.