مقاليد (هندسة كهربائية)

(تم التحويل من Switchgear)

في نظام الطاقة الكهربائية ، تتكون مجموعة المفاتيح الكهربائية من مفاتيح فصل كهربائية أو منصهر أو قواطع دوائر تستخدم للتحكم في المعدات الكهربائية وحمايتها وعزلها. تُستخدم المفاتيح الكهربائية لإلغاء تنشيط المعدات للسماح بإنجاز العمل وإزالة الأعطال في اتجاه التيار. يرتبط هذا النوع من المعدات ارتباطًا مباشرًا بموثوقية إمداد الكهرباء.

المفاتيح الكهربائية ذات الجهد العالي
يستخدم جزء من لوحة مفاتيح كبيرة ، في هذه الحالة ، للتحكم في توليد طاقة قارب الكازينو على متن القارب.
مفاتيح الترام
يستخدم قاطع الدائرة كلاً من SF6 والهواء كعزل.

استخدمت أقدم محطات الطاقة المركزية مفاتيح سكين مفتوحة بسيطة ، مثبتة على ألواح عازلة من الرخام أو الأسبستوس. تصاعدت مستويات الطاقة والجهود الفولتية بسرعة ، مما يجعل فتح المفاتيح التي يتم تشغيلها يدويًا أمرًا خطيرًا للغاية لأي شيء بخلاف عزل الدائرة غير النشطة. سمحت المعدات المملوءة بالزيت باحتواء طاقة القوس والتحكم فيها بأمان. بحلول أوائل القرن العشرين ، ستكون مجموعة المفاتيح الكهربائية عبارة عن هيكل مغلق بالمعادن مع عناصر تحويل تعمل بالكهرباء ، باستخدام قواطع دارة الزيت. اليوم ، تم استبدال المعدات المملوءة بالزيت إلى حد كبير بمعدات نفخ الهواء أو الفراغ أو SF6 ، مما يسمح بالتحكم في التيارات الكبيرة ومستويات الطاقة بأمان بواسطة المعدات الأوتوماتيكية.

تم اختراع المفاتيح الكهربائية عالية الجهد في نهاية القرن التاسع عشر لتشغيل المحركات والآلات الكهربائية الأخرى.[1] تم تحسين التقنية بمرور الوقت ويمكن استخدامها الآن بجهد يصل إلى 1100 كيلو فولت.[2]

عادةً ما توجد المفاتيح الكهربائية في المحطات الفرعية على جانبي الجهد العالي والمنخفض لمحولات الطاقة الكبيرة. قد توجد مجموعة المفاتيح الموجودة على جانب الجهد المنخفض للمحولات في مبنى ، مع قواطع دوائر الجهد المتوسط لدوائر التوزيع ، إلى جانب معدات القياس والتحكم والحماية. بالنسبة للتطبيقات الصناعية ، يمكن دمج مجموعة المحولات والمفاتيح الكهربائية في حاوية واحدة ، تسمى محطة فرعية موحدة (USS).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

مكونات

تتكون مجموعة المفاتيح الكهربائية من نوعين من المكونات:

  • مكونات موصلة للقدرة ، مثل المفاتيح وقواطع الدائرة والمنصهرات وموانع الصواعق ، التي توصل أو تعطل تدفق الطاقة الكهربائية.
  • أنظمة التحكم مثل لوحات التحكم والمحولات الحالية والمحولات المحتملة والمرحلات الواقية والدوائر المرتبطة بها ، والتي تراقب وتتحكم وتحمي مكونات توصيل الطاقة.


الوظائف

تتمثل إحدى الوظائف الأساسية للمفاتيح الكهربائية في الحماية ، والتي تتمثل في انقطاع تيارات ماس كهربائى وأعطال الحمل الزائد مع الحفاظ على الخدمة للدوائر غير المتأثرة. توفر المفاتيح الكهربائية أيضًا عزل الدوائر عن مصادر الطاقة. تُستخدم المفاتيح الكهربائية أيضًا لتحسين توفر النظام من خلال السماح لأكثر من مصدر واحد بتغذية الحمل.

التاريخ

 
المفاتيح الكهربائية المبكرة (حوالي عام 1910)

أنواع قواطع دوائر

قد تكون مجموعة المفاتيح عبارة عن مفتاح عازل بسيط في الهواء الطلق أو قد تكون معزولة ببعض المواد الأخرى. تعتبر المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز (GIS) من الأشكال الفعالة على الرغم من أنها أكثر تكلفة من المفاتيح الكهربائية ، حيث يتم عزل الموصلات والملامسات بواسطة غاز سادس فلوريد الكبريت المضغوط (SF6). الأنواع الأخرى الشائعة هي المفاتيح الكهربائية المعزولة بالزيت أو الفراغ.

تسمح مجموعة المعدات داخل حاوية المفاتيح الكهربائية بمقاطعة التيارات الخاطئة لآلاف الأمبيرات. قاطع الدائرة (داخل حاوية المفاتيح) هو المكون الأساسي الذي يقطع تيارات الأعطال. يتطلب إخماد القوس عندما يقوم قاطع الدائرة بفصل جهات الاتصال (يفصل الدائرة) تصميمًا دقيقًا. تندرج قواطع الدائرة في هذه الأنواع الستة:

زيت

 
نموذج مقطوع لقاطع دائرة عالي الجهد مملوء بالزيت

تعتمد قواطع دارة الزيت على تبخير بعض الزيت لدفع نفث الزيت على طول مسار القوس. يتكون البخار المنبعث من القوس من غاز الهيدروجين. الزيت المعدني له خاصية عزل أفضل من الهواء. عندما يكون هناك فصل لجهات الاتصال الحاملة للتيار في الزيت ، يتم تهيئة القوس في قاطع الدائرة في لحظة فصل جهات الاتصال ، وبسبب هذا القوس ، يتبخر الزيت ويتحلل في الغالب في غاز الهيدروجين ويخلق في النهاية فقاعة هيدروجين حوله القوس الكهربائي. تمنع فقاعة الغاز المضغوطة للغاية هذه حول القوس إعادة ضرب القوس بعد أن يصل التيار إلى صفر معبر للدورة. قاطع دارة الزيت هو أحد أقدم أنواع قواطع الدائرة.

هواء

قد تستخدم قواطع دوائر الهواء الهواء المضغوط (نفخ) أو القوة المغناطيسية للقوس نفسه لإطالة القوس. نظرًا لأن طول القوس المستدام يعتمد على الجهد المتاح ، فإن القوس الممدود سوف يستنفد نفسه في النهاية. بدلاً من ذلك ، تتأرجح جهات الاتصال بسرعة إلى غرفة صغيرة محكمة الغلق ، مما يؤدي إلى هروب الهواء المزاح وبالتالي نفخ القوس.

عادة ما تكون قواطع الدائرة قادرة على إنهاء كل تدفق التيار بسرعة كبيرة: عادة ما بين 30 مللي ثانية و 150 مللي ثانية حسب عمر الجهاز وبنيته.

غاز

تقوم قواطع دوائر الغاز (SF6) أحيانًا بتمديد القوس باستخدام مجال مغناطيسي ، ثم تعتمد على القوة العازلة لغاز SF6 لإخماد القوس الممتد.

هجين

مقال رئيسي: Hybrid switchgear modules

المفاتيح الكهربائية الهجينة هي نوع يجمع بين مكونات مجموعة المفاتيح الكهربائية التقليدية المعزولة بالهواء (AIS) وتقنيات المفاتيح الكهربائية المعزولة بالغاز SF6) (GIS). يتميز بتصميم مدمج وقياسي ، والذي يشمل عدة وظائف مختلفة في وحدة واحدة.

الفراغ

تتميز قواطع الدائرة ذات المقاطعات الفراغية بخصائص الانحناء الأدنى (حيث لا يوجد شيء للتأين بخلاف مادة التلامس) ، لذا فإن القوس يروي عندما يتم شده بكمية صغيرة (<2-8 مم). بالقرب من الصفر ، لا يكون القوس ساخنًا بدرجة كافية للحفاظ على البلازما ، ويتوقف التيار ؛ يمكن للفجوة بعد ذلك تحمل ارتفاع الجهد. تستخدم قواطع الدائرة الفراغية بشكل متكرر في المفاتيح الكهربائية الحديثة ذات الجهد المتوسط حتى 40500 فولت. على عكس الأنواع الأخرى ، فهي بطبيعتها غير مناسبة لمقاطعة أعطال التيار المستمر. السبب في عدم ملاءمة قواطع الدائرة المفرغة لكسر الفولتية العالية للتيار المستمر هو أنه مع التيار المستمر لا توجد فترة "صفر تيار". يمكن لقوس البلازما أن يغذي نفسه من خلال الاستمرار في تغويز مادة التلامس.

ثاني أكسيد الكربون (CO2)

تعمل القواطع التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون كوسيط إطفاء وعازل على نفس مبادئ قاطع سداسي فلوريد الكبريت (SF6). نظرًا لأن سداسي فلوريد الكبريت من غازات الدفيئة أكثر فعالية من ثاني أكسيد الكربون ، فمن خلال التحول من سداسي فلوريد الكبريت إلى ثاني أكسيد الكربون ، من الممكن تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بمقدار 10 أطنان خلال دورة حياة المنتج.[3]

دوائر الحماية

قواطع التيار الكهربائي والمنصهرات

تنفصل قواطع التيار الكهربائي والصمامات عندما يتجاوز التيار مستوى آمنًا محددًا مسبقًا. ومع ذلك ، لا يمكنهم الشعور بالأخطاء الحرجة الأخرى ، مثل التيارات غير المتوازنة - على سبيل المثال ، عندما يتصل محول متعرج بالأرض. في حد ذاتها ، لا تستطيع قواطع التيار الكهربائي والمنصهرات التمييز بين الدوائر القصيرة والمستويات العالية من الطلب على الكهرباء.

Merz-Price circulating current scheme

تعتمد الحماية التفاضلية على قانون التيار لكيرشوف ، الذي ينص على أن مجموع التيارات التي تدخل أو تغادر عقدة الدائرة يجب أن تساوي الصفر. باستخدام هذا المبدأ لتنفيذ الحماية التفاضلية ، يمكن اعتبار أي جزء من المسار الموصل عقدة. يمكن أن يكون المسار الموصل عبارة عن خط نقل أو لف محول أو لف في محرك أو لف في الجزء الثابت للمولد. يعمل هذا الشكل من الحماية بشكل أفضل عندما يكون طرفي المسار الموصّل قريبين من بعضهما البعض. ابتكر هذا المخطط في بريطانيا العظمى تشارلز هيسترمان ميرز وبرنارد برايس.[4]


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التبويب

يمكن عمل عدة تصنيفات مختلفة للمفاتيح الكهربائية:[5]

  • حسب تصنيف التيار.
  • عن طريق تصنيف مقاطعة (الحد الأقصى ماس كهربائى كيلو امبير تيار قصر الحالي الذي يمكن للجهاز مقاطعته بأمان)
    • يمكن أن تفتح قواطع الدائرة وتغلق عند تيارات الأعطال
    • Lيمكن لمفاتيح تبديل التحميل / التحميل تحويل تيارات تحميل النظام العادية
    • Iتكون العوازل خارج فاصل الحمل الذي سيتم تشغيله بعد قواطع الدائرة ، أو إذا كان تيار الحمل صغيرًا جدًا
  • حسب فئة الجهد:
    • الجهد المنخفض (أقل من 1 كيلو فولت تيار متردد)
    • جهد متوسط (1 كيلو فولت تيار متردد حتى 75 كيلو فولت تيار متردد تقريبًا)
    • الجهد العالي (75 كيلو فولت إلى حوالي 230 كيلو فولت تيار متردد)
    • الجهد العالي الإضافي ، الجهد العالي للغاية (أكثر من 230 كيلو فولت)
  • عن طريق العزل الوسط:
    • هواء
    • غاز (SF 6 أو خليط)
    • زيت
    • فراغ
    • ثاني أكسيد الكربون (CO 2 )
  • حسب نوع البناء:
    • داخلي (مصنف أيضًا حسب فئة IP (حماية الدخول) أو نوع حاوية NEMA)
    • خارجي
    • صناعي
    • Public institution
    • بحري
    • عناصر السحب (قابلة للإزالة بدون العديد من الأدوات)
    • العناصر الثابتة (السحابات المثبتة بمسامير)
    • الواجهة الحية
    • الجبهة الميتة
    • مفتوح
    • مغلق بالمعدن (ME) - مجموعة المفاتيح الكهربائية مغلقة تمامًا من جميع الجوانب والجزء العلوي من الصفائح المعدنية. [6]
    • المعادن المكسوة (MC) - مجموعة متنوعة أكثر تكلفة من مجموعة المفاتيح الكهربائية المغلقة بالمعادن والتي تتميز بالخصائص التالية: جهاز التحويل والمقاطعة الرئيسي من النوع القابل للإزالة ؛ حواجز معدنية مؤرضة لفصل المقصورات وإحاطة جميع الدوائر والأجزاء الرئيسية ؛ التعشيق الميكانيكي معزول موصلات الحافلات وميزات أخرى. [7] [8]
    • مقاومة القوس
  • Bحسب درجة IEC للفصل الداخلي [9]
    • لا فصل (نموذج 1)
    • تم فصل القضبان عن الوحدات الوظيفية (النموذج 2 أ ، 2 ب ، 3 أ ، 3 ب ، 4 أ ، 4 ب)
    • أطراف للموصلات الخارجية مفصولة عن القضبان (النموذج 2 ب ، 3 ب ، 4 أ ، 4 ب)
    • أطراف للموصلات الخارجية مفصولة عن الوحدات الوظيفية ولكن ليس عن بعضها البعض (النموذج 3 أ ، 3 ب)
    • الوحدات الوظيفية منفصلة عن بعضها البعض (النموذج 3 أ ، 3 ب ، 4 أ ، 4 ب)
    • أطراف توصيل خارجية مفصولة عن بعضها البعض (النموذج 4 أ ، 4 ب)
    • أطراف للموصلات الخارجية منفصلة عن الوحدة الوظيفية المرتبطة بها (النموذج 4 ب)
  • عن طريق جهاز مقاطعة :
    • المنصهرات
    • قاطع دائرة الكهربائي الهوائي
    • قاطع دارة الزيت الأدنى
    • قاطع دائرة الكهربائي الزيتي
    • قاطع الدائرة الكهربائية
    • غاز (SF 6 ) قاطع الدائرة
    • CO 2 قواطع دوائر
  • حسب طريقة التشغيل:
    • تعمل يدويًا
    • تشغيل المحرك / الطاقة المخزنة
    • تشغيل بالملف اللولبي
  • حسب نوع التيار:
    • التيار المتناوب
    • التيار المستمر
  • عن طريق التطبيق:
    • نظام النقل
    • التوزيع
  • عن طريق الغرض

قد يشتمل الخط الفردي على عدة أنواع مختلفة من الأجهزة ، على سبيل المثال ، قد توجد جميع الموصلات المعزولة بالهواء وقواطع الدائرة الفراغية والمفاتيح التي تعمل يدويًا في نفس الصف من المقصورات.

يتم تعيين تقييمات وتصميم ومواصفات وتفاصيل المفاتيح الكهربائية من خلال العديد من المعايير. في أمريكا الشمالية ، يتم استخدام معايير IEEE و ANSI في الغالب ، ويستخدم الكثير من بقية العالم معايير IEC ، وأحيانًا مع التقاربات الوطنية المحلية أو الاختلافات.

السلامة

 
قاطع دائرة 245 كيلو فولت في محطة فرعية معزولة بالهواء
 
القاطع الكهربائي المعزول بالغاز 420 كيلو فولت

للمساعدة في ضمان تسلسل التشغيل الآمن للمفاتيح الكهربائية ، يوفر تشابك المفتاح المحاصر سيناريوهات محددة مسبقًا للتشغيل. على سبيل المثال ، إذا تم السماح بتوصيل أحد مصدري التوريد فقط في وقت معين ، فقد يتطلب مخطط التعشيق فتح المفتاح الأول لتحرير مفتاح يسمح بإغلاق المفتاح الثاني. المخططات المعقدة ممكنة.

يمكن أيضًا اختبار المفاتيح الكهربائية الداخلية من أجل احتواء القوس الداخلي (على سبيل المثال ، IEC 62271-200). هذا الاختبار مهم لسلامة المستخدم حيث أن المفاتيح الكهربائية الحديثة قادرة على تبديل التيارات الكبيرة..[12]

غالبًا ما يتم فحص المفاتيح باستخدام التصوير الحراري لتقييم حالة النظام والتنبؤ بالأعطال قبل حدوثها. تشمل الطرق الأخرى اختبار التفريغ الجزئي (PD) ، باستخدام إما أجهزة اختبار ثابتة أو محمولة ، واختبار الانبعاثات الصوتية باستخدام محولات الطاقة المثبتة على السطح (لمعدات الزيت) أو أجهزة الكشف بالموجات فوق الصوتية المستخدمة في ساحات التبديل الخارجية. يمكن لأجهزة استشعار درجة الحرارة المجهزة بكابلات لوحة المفاتيح مراقبة تراكم درجة الحرارة بشكل دائم. يتم دائمًا تزويد معدات SF6 بأجهزة الإنذار والتشابك للتحذير من فقد الضغط ، ولمنع التشغيل إذا انخفض الضغط بشكل منخفض للغاية.

أدى الوعي المتزايد بالمخاطر المرتبطة بمستويات الأعطال العالية إلى قيام مشغلي الشبكات بتحديد عمليات الأبواب المغلقة للمفاتيح الأرضية وقواطع الأرفف. حظرت العديد من شركات الطاقة الأوروبية المشغلين من غرف التبديل أثناء التشغيل. تتوفر أنظمة الرفع عن بُعد والتي تسمح للمشغل برفع المفاتيح الكهربائية من مكان بعيد دون الحاجة إلى ارتداء بدلة واقية من خطر وميض القوس. تتطلب أنظمة المفاتيح صيانة وخدمة مستمرة لتظل آمنة للاستخدام ومُحسَّنة بالكامل لتوفير مثل هذه الفولتية العالية.[13]

انظر أيضاً

المراجع

  1. ^ British Pattern GB 20069 Improvements in Apparatus for Controlling the Application or Use of Electric Currents of High Tension and Great Quantity in 1893, on espacenet.com
  2. ^ Lin Jiming et al., Transient characteristics of 1 100 kV circuit-breakers, International Symposium on International Standards for Ultra High Voltage, Beijing, Juillet 2007.
  3. ^ "Switzerland : ABB breaks new ground with environment friendly high-voltage circuit breaker". Retrieved 9 July 2013.
  4. ^ Robert Monro Black (January 1983). The History of Electric Wires and Cables. IET. pp. 101–. ISBN 978-0-86341-001-7.
  5. ^ Robert W. Smeaton (ed) Switchgear and Control Handbook 3rd Ed., McGraw Hill, New York 1997 ISBN 0-07-058451-6
  6. ^ IEEE Std C37.20.2-1999. معيار IEEE للمفاتيح الكهربائية المكسوة بالمعادن.
  7. ^ IEEE Std C37.100-1992. تعريفات IEEE القياسية لمفاتيح الطاقة.
  8. ^ [http: / /eeame.com/portal/contents-mainmenu-29/opinions-mainmenu-63/109-metal-clad-vs-metal-enclosed.html "Metal-Clad vs Metal-Enclosed"] Check |url= value (help). المهندسين الكهربائيين و MASTER ELECTRICIANS PORTAL. 4 نوفمبر 2008. Retrieved 28 حزيران (يونيو) 2016. Check date values in: |accessdate= and |date= (help)
  9. ^ معيار IEC EN 60439 الجزء 1 جدول 6A
  10. ^ (بالفرنسية)Norme CEI 60265-1 Interrupteurs pour tension assignée supérieure à 1 kV et inférieure à 52 kV Archived September 30, 2007, at the Wayback Machine.
  11. ^ (بالفرنسية) Norme CEI 60265-2 Interrupteurs pour tension assignée supérieure à 52 kV Archived September 30, 2007, at the Wayback Machine.
  12. ^ https://www.energy.siemens.com/cms/00000013/aune/Documents/Medium%20Voltage%20Arc%20Fault%20Containment.pdf Archived March 18, 2009, at the Wayback Machine.
  13. ^ "Switchgear Systems and Services". johnsonphillips.co.uk (in الإنجليزية). Retrieved 2018-05-15. Cite has empty unknown parameter: |dead-url= (help)

وصلات خارجية

قالب:Electricity delivery