في الأنظمة الكهربائية، يتم استخدام أجهزة خاصة لتشغيل وإيقاف النظام أو لفصل ووصل الدوائر في حالات طبيعية أو غير طبيعية لحماية الأجهزة الكهربائية والنظام بأكمله. في الحالات غير الطبيعية مثل الأعطال الكهربائية، تحتاج الأنظمة إلى حماية فورية لتجنب الأضرار التي قد تصيب الأجهزة أو الإنسان.
أهمية الحماية في الأنظمة الكهربائية
تعد الحماية أمرًا أساسيًا في أي نظام كهربائي. إذا لم تتوفر وسائل الحماية المناسبة، قد تؤدي الأعطال مثل الدوائر القصيرة (short circuits) إلى ارتفاع درجات الحرارة بشكل كبير، مما يتسبب في تلف الأجهزة أو حتى حريق. من هنا ظهرت الحاجة لاستخدام أجهزة حماية موثوقة مثل القواطع الآلية لحماية الأنظمة من الأعطال والأضرار.
المنصهرات (Fuses)
في الماضي، كانت المنصهرة (Fuse) هي الوسيلة الشائعة لحماية الأنظمة الكهربائية. تعمل المنصهرة على قطع الدائرة عندما يتجاوز التيار حدًا معينًا، حيث ينصهر عنصر المنصهر ويتسبب في فصل الدائرة. ولكن هناك عيبين رئيسيين لاستخدام المنصهرة في الأنظمة الكهربائية المتطورة:
- التوقف لإعادة التبديل: عند انصهار العنصر في المنصهرة، يجب استبدال المنصهرة، مما يستغرق وقتًا.
- عجز في قطع تيارات الأعطال الكبيرة: في الأنظمة ذات الجهد العالي أو التيارات الكبيرة، قد تكون المنصهرة غير قادرة على قطع تيارات الأعطال الكبيرة بشكل فعال.
القواطع الآلية (Circuit Breakers)
مع التطور التكنولوجي في أنظمة نقل وتوزيع الطاقة، ظهرت القواطع الآلية (Circuit Breakers) كبديل فعال وأكثر أمانًا. القواطع الآلية هي أجهزة تتميز بقدرتها على تشغيل وإيقاف النظام أو فتح وغلق الدوائر سواء في الحالات العادية أو في حالات الأعطال (غير طبيعية).
أنواع القواطع الآلية
تتميز القواطع الآلية بتقنيات مختلفة لإخماد الشرارة الكهربائية (arc) التي تنشأ أثناء فصل الدائرة. من بين أنواع القواطع الآلية نجد:
- القواطع الزيتية.
- القواطع الهوائية.
- القواطع الفاكيومية.
- القواطع الآلية المعزولة بغاز SF6، وهي الأكثر شيوعًا في الجهد المتوسط والعالي.
القواطع الآلية المعزولة بغاز SF6
تستخدم القواطع المعزولة بالغاز، مثل غاز سداسي فلوريد الكبريت (SF6)، لإطفاء الشرارة الناتجة عن فتح الدائرة، مما يوفر عزلًا كهربائيًا قويًا ويحمي النظام من الأعطال الكبيرة.
مكونات القواطع الآلية المعزولة بغاز SF6:
- جهتا الاتصال الثابتة: يتم تصميم هذه الاتصالات لتكون أسطوانية مجوفة.
- الاتصال المتحرك: يتكون من اتصال مجوف مع ثقوب صغيرة تسمح بمرور الغاز SF6.
آلية العمل:
- عند تشغيل القاطع، تكون جهات الاتصال محاطة بـ غاز SF6 بضغط حوالي 2.8 كجم/سم².
- عند حدوث القوس الكهربائي عند فتح الدائرة، يتم فتح صمام الغاز، مما يسمح بتدفق غاز SF6 إلى غرفة القوس.
- عند حدوث القوس، يعمل غاز SF6 على امتصاص الإلكترونات الحرة من القوس، مما يحولها إلى أيونات سالبة غير متحركة، وبالتالي زيادة العزل الكهربائي.
- هذه العملية تعمل على إخماد القوس بشكل سريع وفعال.
- بعد إخماد القوس، يُغلق صمام الغاز مرة أخرى، مما يمنع دخول المزيد من الغاز إلى الدائرة ويُعيد النظام إلى وضعه الطبيعي.
خصائص القواطع الآلية المعزولة بغاز SF6:
- إطفاء القوس الكهربائي: تتميز هذه القواطع بقدرتها العالية على إخماد القوس الناتج عند فصل الدائرة. وذلك بفضل خصائص غاز SF6 الذي يمتص الإلكترونات الحرة ويقلل من تفاعلها مع القوس.
- القدرة على التحمل: القواطع SF6 يمكن أن تتحمل تيارات عالية جدًا أثناء الأعطال، مثل تيارات القصر (Short-circuit currents)، دون حدوث ضرر للأجهزة.
- الحد من الضوضاء والتآكل: لا تسبب هذه القواطع الضوضاء كما هو الحال مع بعض أنواع القواطع الأخرى مثل القواطع الزيتية أو الهوائية. كما أنها تقلل التآكل بسبب انعدام التفاعل الكيميائي داخل الغاز.
- دقة عالية في فصل القوس: تتميز هذه القواطع بتقنية التوقيت الفائق التي تضمن إطفاء القوس في زمن قصير جدًا يتراوح بين بضعة أجزاء من الثانية.
- قدرة على العمل في بيئات مختلفة: تعمل هذه القواطع بكفاءة في ظروف بيئية قاسية، مما يجعلها مثالية للاستخدام في محطات الكهرباء، وأنظمة النقل، والأنظمة الصناعية.
فوائد استخدام القواطع الآلية المعزولة بغاز SF6:
- حماية الأجهزة الكهربائية: من خلال إيقاف التيارات الضارة، تحمي القواطع الآلية الأنظمة الكهربائية من الأعطال.
- تقليل زمن التوقف: توفر قواطع SF6 القدرة على إعادة تشغيل الدائرة بسرعة، مما يقلل من زمن التوقف ويزيد من استقرار النظام.
- تحسين الكفاءة التشغيلية: مع القدرة على التعامل مع التيارات الكبيرة والعوازل الفعالة، تساهم هذه القواطع في تحسين كفاءة نقل الطاقة عبر الشبكة الكهربائية.
خلاصة:
تعد القواطع الآلية من العناصر الأساسية في أنظمة الحماية الكهربائية. من خلال إطفاء القوس بشكل فعال، تمكن هذه القواطع الأنظمة من الحفاظ على سلامتها من الأعطال وحمايتها من التيارات العالية الناتجة عن الأعطال. تعتبر القواطع المعزولة بغاز SF6 الأكثر استخدامًا في الجهد المتوسط والعالي، بفضل قدرتها على إخماد القوس الكهربائي بسرعة وكفاءة، مما يحسن استقرار الأنظمة الكهربائية بشكل عام.
