theme wordpress
آموزش های پایه ای برقتابلو برقکلید های قدرت

عملکرد کلید قدرت (مدارشکن)

عملکرد کلید قدرت (مدارشکن)

کارکرد اصلی یک مدارشکن یا کلید قدرت الکتریکی فراهم کردن باز و بسته شدن کنتاکت های حامل جریان است. اگرچه به نظر می رسد این وظیفه بسیار ساده است، اما باید به خاطر داشت که یک کلید قدرت در حداکثر مدت طول عمر خود در وضعیت بسته خود باقی می‌ماند. بیشتر اوقات برای باز  و بستن کنتاکت‌ها نیاز به کار یک مدار شکن است. از این رو، عملکرد مدارشکن باید بدون هیچ گونه تأخیر یا کندی دارای قابلیت اطمینان بالا باشد. برای دستیابی به این قابلیت اطمینان، مکانیزم عملکرد کلید قدرت پیچیده تر از آن است که ابتدا تصور می شد. فاصله برخورد بین کنتاکت‌های باز و بسته و سرعت حرکت کنتاکت‌ها حین کار، از مهمترین پارامترهایی هستند که باید در هنگام طراحی مدار شکن مورد توجه قرار گیرند. فاصله کنتاکت، مسافت حرکت کنتاکت‌های در حال حرکت و سرعت آنها با توجه به درجه متوسط ​​فشار قوس جریان و ولتاژ  مجاز کلید قدرت تعیین می شود. منحنی مشخصه عملکرد یک کلید قدرت معمولی در نمودار زیر نشان داده شده است.

در این نمودار، محور X زمان را بر حسب میلی ثانیه نشان و محور y مسافت را بر حسب میلی متر نشان می دهد. فرض کنید در زمان T0 جریان از طریق سیم پیچ بسته شارش می‌یابد. پس از گذشت زمان T1، کنتاکت در حال حرکت به سمت کنتاکت ثابت شروع به حرکت می‌کند. در حال زمان T2 کنتاکت متحرک، کنتاکت ثابت را لمس می کند و در زمان T3، کنتاکت در حال حرکت به موقعیت بسته خود می رسد. T3 – T2 نیز مدت زمان اضافه بار این دو کنتاکت (کنتاکت در حال حرکت و ثابت) است. پس از گذشت زمان T3، کنتاکت در حال حرکت کمی برگشت می کند و بعد از زمان T4 دوباره به حالت بسته ثابت خود می رسد.

مقدار فاصله جابه جا شده توسط کنتاکت های کلید قدرت
مقدار فاصله جابه جا شده توسط کنتاکت های کلید قدرت

اکنون به عمل قطع می‌رسیم. فرض کنید در زمان T5 جریان برق از طریق سیم پیچ تریپ مدارشکن شروع به شارش کند. در زمان T6، کنتاکت متحرک برای باز کردن کنتاکت‌ها بسمت عقب شروع به حرکت می‌کند و پس از گذشت زمان T7، کنتاکت در حال حرکت نهایتا کنتاکت ثابت را جدا می‌کند. دوره زمانی T7 – T6 دوره همپوشانی است. حال در زمان T8 کنتاکت در حال حرکت به وضعیت باز نهایی خود برمی‌گردد اما در اینجا در حالت استراحت قرار نخواهد گرفت زیرا از قبل از آمدن به موقعیت استراحت نهایی، برخی نوسانات مکانیکی در کنتاکت در حال حرکت وجود خواهد داشت. در زمان T9، کنتاکت متحرک سرانجام به حالت استراحت خود می‌رسد.

مقالات مرتبط:

ست‌های روتین کلید های قدرت

مقادیر نامی کلید های قدرت(کلید هوایی، کامپکت و…) / جریان قطع نامی / جریان وصل نامی

تعمیر و نگهداری کلید های قدرت (کلید روغنی، خلا ، SF6، هوای فشرده)

الزامات عملکرد باز کردن کلید قدرت

برای کلید قدرت مطلوب آن است که در سریع‌ترین زمان ممکن در حالت باز قرار گیرد. این امر به دلیل محدود کردن فرسایش کنتاکت‌ها و قطع هر چه سریعتر جریان خطا است. اما مسافت پیموده شده کنتاکت در حال حرکت تنها با لزوم قطع جریان خطا مشخص نمی‌شود بلکه لازم است تا فاصله بین کنتاکت‌ها مقاومت در برابر فشارهای دی الکتریک معمولی و ولتاژ پالس ناشی از صاعقه در هنگامی که کنتاکت CB در حالت باز قرار می گیرد، مقاوم باشد.

نیاز به حمل جریان پیوسته و تحمل یک دوره قوس در مدار شکن باعث می‌شود که از دو مجموعه کنتاکت به طور موازی استفاده شود، یکی کنتاکت اصلی که همیشه از مواد دارای رسانایی بالا مانند مس ساخته می شود و دیگری کنتاکت قوس الکتریکی که از مواد مقاوم در برابر قوس مانند تنگستن یا مولیبدنوم[1]، که از هدایت بسیار کمتری نسبت به کنتاکت اصلی برخوردار است ساخته شده است. در حین کار مدارشکن، کنتاکت‌های اصلی قبل از کنتاکت‌های قوس باز می شوند. اما به دلیل تفاوت در مقاومت الکتریکی و سلف مسیرهای برقی کنتاکت اصلی و قوس الکتریکی، یک زمان محدودی برای دستیابی به کل مسیر رفت و آمد جریان، یعنی از کنتاکت اصلی تا شاخه کنتاکت قوس الکتریکی لازم است. بنابراین هنگامی که کنناکت در حال حرکت از موقعیت بسته تا موقعیت باز شروع به حرکت می‌کند، فاصله کنتاکت‌ها به تدریج افزایش می یابد و پس از مدتی به یک موقعیت بحرانی می‌رسد که نشان دهنده حداقل فاصله هدایت لازم برای جلوگیری از قوس الکتریکی مجدد بعد از صفر  بعدی جریان است.

بخش باقیمانده حرکت فقط برای حفظ استحکام کافی دی الکتریک بین شکاف کنتاکت‌ها و برای کاهش سرعت مورد نیاز است.

الزامات عملکرد بسته شدن مدارشکن

در حین عمل بستن مدار شکن موارد زیر لازم است،

  1. کنتاکت متحرک باید با سرعت کافی به سمت کنتاکت ثابت حرکت کند تا از پدیده پیش از قوس الکتریکی جلوگیری کند. با کاهش فاصله کنتاکت‌ها، ممکن است قوس قبل از بسته شدن کنتاکت‌ها، شروع شود.
  2. در حین بستن کنتاکت‌ها، ماده ی بین کنتاکت‌ها جایگزین می شود، از این رو در این عمل مدارشکن، توان مکانیکی کافی تأمین می شود تا فشرده سازی دی الکتریک در محفظه قوس الکتریکی انجام شود.
  3. پس از برخورد به کنتاکت ثابت، ممکن است کنتاکت در حال حرکت به دلیل نیروی دافعه که اصلاً مطلوب نیست، به عقب برگردد. از این رو باید انرژی مکانیکی کافی برای غلبه بر نیروی دافع ناشی از عملکرد بسته شدن روی خطا تأمین گردد.
  4. در مکانیسم فنر – فنر، معمولا در هنگام قطع کردن یا باز کردن فنر شارژ می شود. از این رو انرژی مکانیکی کافی نیز برای شارژ فنر باز نیز باید تأمین گردد.

جریان اتصال کوتاه کلید قدرت

هنگامی که یک خطای اتصال کوتاه در سیستم الکتریکی وجود داشته باشد، یک جریان اتصال کوتاه شدید از طریق سیستم از جمله کنتاکت‌های کلید قدرت جریان می یابد، مگر اینکه با قطع CB این خطا پاک شود. هنگامی که جریان اتصال کوتاه از طریق CB جریان می یابد، قطعات مختلف حامل جریان مدارشکن تحت فشارهای مکانیکی و حرارتی شدیدی قرار می گیرند. اگر قسمتهای هدایت کننده CB از سطح مقطع کافی برخوردار نباشند، احتمال افزایش دما به میزان خطرناکی وجود دارد که ممکن است بر کیفیت عایق CB تأثیر بگذارد.

کنتاکت‌های CB همچنین درجه حرارت بالایی را تجربه می کنند. تنش های حرارتی کنتاکت‌های CB با I2Rt متناسب است، که در آن R مقاومت کنتاکت است و به فشار کنتاکت و شرایط سطح آن بستگی دارد. I نیز مقدار rms جریان اتصال کوتاه است و t مدت زمانی است که جریان اتصال کوتاه از طریق کنتاکت‌ها شارش می‌یابد.

پس از شروع خطا، جریان اتصال کوتاه تا زمانی که واحد قطع کننده CB عمل نماید باقی می‌ماند. از این رو، زمان t زمان شکست مدارشکن است. از آنجا که این زمان در مقیاس میلی ثانیه بسیار کمتر است، فرض بر این است که تمام گرمای تولید شده در هنگام خطا توسط رسانا جذب می شود زیرا زمان کافی برای همرفت و تابش گرما وجود ندارد.

میزان افزایش دما را می‌توان توسط فرمول زیر تعیین نمود:

افزایش دما کنتاکت های کلید قدرت

که در آن T میزان افزایش دما در یک ثانیه بر حسب درجه سانتیگراد است.

I جریان (rms متقارن) بر حسب آمپر

A مساحت سطح مقطع هادی

ε ضریب دمایی مقاومت هادی در دمای 20 درجه سانتیگراد است.

همانطور که مشخص است آلومینیوم در دمای بالاتر از 160 درجه سانتیگراد استحکام مکانیکی خود را از دست می دهد و نرم می شود، بنابراین بهتر است میزان افزایش دما در کمتر از این مقدار محدود گردد. این نیاز در حقیقت میزان افزایش دمای مجاز در طول اتصال کوتاه را تعیین می کند. این محدودیت را می‌توان با کنترل زمان شکست CB و طراحی مناسب ابعاد رسانا به دست آورد.

نیروی اتصال کوتاه

نیروی الکترومغناطیسی که بین دو رسانای موازی حامل جریان الکتریکی توسعه یافته، توسط فرمول زیر داده می‌شود.

نیروی اتصال کوتا کلید های قدرت

که در آن L طول هر دو هادی بر حسب اینچ ، S  فاصله بین آنها بر حسب اینچ و I جریان حمل شده توسط هر کدام از هادی‌ها است.

به طور تجربی ثابت شده هنگامی که مقدار جریان اتصال کوتاه I 1.75 برابر مقدار RMS  موج جریان اتصال کوتاه اولیه متقارن باشد، نیروی اتصال کوتاه الکترومغناطیسی برابر با ماکسیمم مقدار خود خواهد بود.

با این وجود، در برخی شرایط ممکن است نیروهایی بزرگتر از اینها نیز ایجاد شوند، مثلاً در مورد میله های بسیار سفت و سخت یا به دلیل تشدید در مورد میله‌هایی که در معرض لرزش مکانیکی هستند. همچنین آزمایشات نشان داده‌اند که واکنشهای تولید شده توسط یک جریان متناوب در یک ساختار غیر تشدید کننده در لحظه استفاده یا حذف نیروها ممکن است بیش از واکنشهای تجربه شده در هنگام شارش جریان گردد.  بنابراین توصیه می شود که خطا برای همه شرایط احتمالی در نظر گرفته شود و حداکثر نیرویی را که می توان با مقدار پیک اولیه جریان اتصال کوتاه نامتقارن تولید کرد، نیز در نظر گرفت.

این نیرو ممکن است به عنوان مقداری در نظر گرفته شود که دو برابر مقدار محاسبه شده از فرمول فوق باشد.

این فرمول برای هادی‌های با مقطع دایره ای کاملا مفید است. اگرچه  L طول محدودی از قسمتهای هادی است که به موازات یکدیگر اجرا می شوند، اما فرمول تنها زمانی مناسب است که طول کل هر هادی نامتناهی در نظر گرفته شود.

در موارد عملی، طول کل هادی بی نهایت نیست. باید در نظر داشت که چگالی شار در نزدیکی انتهای هادی حامل جریان نسبت به قسمت میانی آن تفاوت قابل توجهی دارد. از این رو، اگر از فرمول فوق برای هادی کوتاه استفاده کنیم، نیرویی که محاسبه می شود بسیار بیشتر از واقعی است.

مشاهده گردیده که اگر از جمله  خطای نیروی اتصال کوتاهبه جای L/S در فرمول فوق استفاده کنیم مقدار خطا خیلی کاهش می یابد، خواهیم اشت:

نیروی اتصال کوتاه کلید قدرت ۲

در فرمول بیان شده در رابطه (2)، اگر نسبت L/S بیش از 20 باشد نتیجه بدون  خطا خواهد بود . اگر 20>L/S>4 فرمول (3) برای تعیین خطا مناسب خواهد بود.

هرچند اگر فاصله بین هادی افزایش یابد، تأثیر شکل سطح مقطع رسانا به سرعت کاهش می یابد، مقدار K برای هادی نواری شکل که ضخامت آن کمتر از عرض آن است، حداکثر است. زمانیکه شکل سطح مقطع هادی مربع کامل باشد از مقدار K صرف‌نظر می‌گردد و برای هادی با سطح مقطع دایره‌ای شکل نیز برابر با واحد است.

[1] molybdenum

محسن ترابی

مهندس برق قدرت، فوق لیسانس برق قدرت از دانشگاه سراسری یزد، موسس ماه صنعت، متخصص در ژنراتور، دیزل، طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی، سنکرون و سیستم های حفاظت الکتریکی به خصوص حفاظت ژنراتور. دارای گواهی ثبت اختراع ساخت موتور PMSM‌ معکوس گرد. هدف از ایجاد این وبسایت و مقالات آن آموزش در راستای توسعه ی صنعت برق کشور عزیزمان ایران می باشد و سعی می کنم مقالات کاربردی در راستای این هدف در وبسایت انتشار بدهم

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن