عملکرد کلید قدرت (مدارشکن)

عملکرد کلید قدرت (مدارشکن)

عملکرد کلید قدرت (مدارشکن)

کارکرد اصلی یک مدارشکن یا کلید قدرت الکتریکی فراهم‌کردن باز و بسته شدن کنتاکت های حامل جریان‌است. اگرچه به نظر می‌رسد این وظیفه بسیارساده‌است،

اما باید به خاطر داشت که یک کلید قدرت در حداکثر مدت طول عمر خود در وضعیت بسته خود باقی‌می‌ماند. بیشتر اوقات برای باز  و بستن کنتاکت‌ها نیاز به کار یک مدارشکن‌است.

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 آن‌است که ابتدا تصور می شد.

فاصله برخورد بین کنتاکت‌های باز و بسته و سرعت حرکت کنتاکت‌ها حین کار، از مهمترین پارامترهایی‌هستند که باید در هنگام طراحی مدار شکن موردتوجه‌قرارگیرند.

فاصله کنتاکت، مسافت حرکت کنتاکت‌های در حال حرکت و سرعت آنها با توجه به درجه متوسط ​​فشار قوس جریان و ولتاژ  مجاز کلید قدرت تعیین‌می‌شود. منحنی مشخصه عملکرد یک کلید قدرت معمولی در نمودار زیر نشان‌داده‌شده‌است.

نمودار

در این نمودار، محور X زمان را بر حسب میلی ثانیه نشان و محور y مسافت را بر حسب میلی متر نشان‌می‌دهد. فرض‌کنید در زمان T₀ جریان از طریق سیم پیچ بسته شارش‌می‌یابد.

پس از گذشت زمان T₁، کنتاکت در حال حرکت به سمت کنتاکت ثابت شروع به حرکت‌می‌کند. در حال زمان T₂ کنتاکت متحرک، کنتاکت ثابت را لمس‌می‌کند

و در زمان T₃، کنتاکت در حال حرکت به موقعیت بسته خودمی‌رسد. 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 برگشت‌می‌کند و بعد از زمان T₄ دوباره به حالت بسته ثابت خودمی‌رسد.

تعمیر و نگهداری کلیدهای قدرت (کلید روغنی، خلا ، SF6، هوای‌فشرده)

الزامات عملکرد باز کردن کلید قدرت

برای کلید قدرت مطلوب آن‌است که در سریع‌ترین زمان ممکن در حالت باز قرارگیرد. این امر به دلیل محدود کردن فرسایش کنتاکت‌ها و قطع هر چه سریعتر جریان خطااست. اما مسافت پیموده‌شده کنتاکت در حال حرکت تنها با لزوم قطع جریان خطا مشخص‌نمی‌شود

بلکه لازم‌است 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 قرارمی‌گیرد، مقاوم‌باشد.

نیاز به حمل جریان پیوسته و تحمل یک دوره قوس در مدار شکن باعث‌می‌شود که از دو مجموعه کنتاکت به طور موازی استفاده شود، یکی کنتاکت اصلی که همیشه از مواد دارای رسانایی بالا مانند مس ساخته‌می‌شود

و دیگری کنتاکت قوس الکتریکی که از مواد مقاوم در برابر قوس مانند تنگستن یا مولیبدنوم، که از هدایت بسیار کمتری نسبت به کنتاکت اصلی برخورداراست

ساخته شده‌است. در حین کار مدارشکن، کنتاکت‌های اصلی قبل از کنتاکت‌های قوس باز می‌شوند. 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 لازم‌است. بنابراین هنگامی که کنناکت در حال حرکت از موقعیت بسته تا موقعیت باز شروع به حرکت می‌کند، فاصله کنتاکت‌ها به تدریج افزایش می‌یابد و پس از مدتی به یک موقعیت بحرانی‌می‌رسد

که نشان دهنده حداقل فاصله هدایت لازم برای جلوگیری از قوس الکتریکی مجدد بعد از صفر  بعدی جریان‌است.

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

الزامات عملکرد بسته‌شدن مدارشکن

در حین عمل‌بستن مدار شکن موارد زیر لازم‌است،

1. کنتاکت متحرک باید با سرعت کافی به سمت کنتاکت ثابت حرکت‌کند تا از پدیده پیش از قوس الکتریکی جلوگیری‌کند. با کاهش فاصله کنتاکت‌ها، ممکن‌است قوس قبل از بسته‌شدن کنتاکت‌ها، شروع‌شود.
2. درحین‌بستن کنتاکت‌ها، ماده ی بین کنتاکت‌ها جایگزین‌می‌شود، از این رو در این عمل مدارشکن، توان مکانیکی کافی تأمین‌می‌شود تا فشرده‌سازی دی الکتریک در محفظه قوس الکتریکی انجام‌شود.
3. پس از برخورد به کنتاکت ثابت، ممکن‌است کنتاکت در حال حرکت به دلیل نیروی دافعه که اصلاً مطلوب‌نیست، به عقب برگردد. از این رو باید انرژی مکانیکی کافی برای غلبه بر نیروی دافع ناشی از عملکرد بسته‌شدن روی خطا تأمین‌گردد.
4. در مکانیسم فنر – فنر، معمولا در هنگام قطع‌کردن یا باز کردن فنر شارژ می‌شود. از این رو انرژی مکانیکی کافی نیز برای شارژ فنر باز نیز باید تأمین‌گردد.

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 جریان‌می‌یابد، مگر اینکه با قطع CB این خطا پاک‌شود.

هنگامی که جریان اتصال کوتاه از طریق CB جریان می‌یابد، 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 ممکن‌است بر کیفیت عایق CB تأثیربگذارد.

کنتاکت‌های CB همچنین درجه حرارت بالایی را تجربه‌می‌کنند. تنش های حرارتی کنتاکت‌های CB با I²Rt متناسب است، که در آن R مقاومت کنتاکت‌است و به فشار کنتاکت و شرایط سطح آن بستگی دارد. I نیز مقدار rms جریان اتصال کوتاه‌است 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 مدارشکن‌است. از آنجا که این زمان در مقیاس میلی ثانیه بسیار کمتر است، فرض بر این است که تمام گرمای تولیدشده در هنگام خطا توسط رسانا جذب می‌شود زیرا زمان کافی برای همرفت و تابش گرما وجود ندارد.

میزان افزایش دما را می‌توان توسط فرمول زیر تعیین‌نمود:

در ادامه

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 می‌دهد و نرم می‌شود، 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 تعیین‌می‌کند. این محدودیت را می‌توان با کنترل زمان شکست CB و طراحی مناسب ابعاد رسانا به دست‌آورد.

نیروی اتصال کوتاه

نیروی الکترومغناطیسی که بین دو رسانای موازی حامل جریان الکتریکی توسعه‌یافته، توسط فرمول زیر داده‌می‌شود.

که در آن L طول هر دو هادی بر حسب اینچ ، S  فاصله بین آنها بر حسب اینچ و I جریان حمل‌شده توسط هر کدام از هادی‌هااست.

با این وجود، در برخی شرایط ممکن‌است 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 نشان‌داده‌اند که واکنش‌های تولیدشده توسط یک جریان متناوب در یک ساختار غیر تشدیدکننده در لحظه استفاده یا حذف نیروها ممکن‌است بیش از واکنش‌های تجربه‌شده در هنگام شارش جریان‌گردد.  بنابراین توصیه‌می‌شود که خطا برای همه شرایط احتمالی در نظر گرفته‌شود و حداکثر نیرویی را که می توان با مقدار پیک اولیه جریان اتصال کوتاه نامتقارن تولید کرد، نیز در نظرگرفت.

این نیرو ممکن‌است به عنوان مقداری در نظرگرفته‌شود که دو برابر مقدار محاسبه‌شده از فرمول فوق‌باشد.

این فرمول برای هادی‌های با مقطع دایره ای کاملا مفیداست. اگرچه  L طول محدودی از قسمتهای هادی‌است که به موازات یکدیگر اجرا می‌شوند، اما فرمول تنها زمانی مناسب‌است که طول کل هر هادی نامتناهی در نظر گرفته‌شود.

در موارد عملی، طول کل هادی بی نهایت نیست. باید در نظرداشت که چگالی شار در نزدیکی انتهای هادی حامل جریان نسبت به قسمت میانی آن تفاوت قابل توجهی‌دارد. از این رو، اگر از فرمول فوق برای هادی کوتاه استفاده‌کنیم، نیرویی که محاسبه می‌شود بسیار بیشتر از واقعی‌است.

ادامه

مشاهده گردیده که اگر از جمله  به جای L/S در فرمول فوق استفاده کنیم مقدار خطا خیلی کاهش‌می‌یابد، خواهیم‌داشت:

 

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

هرچند اگر فاصله بین هادی افزایش‌یابد، تأثیر شکل سطح مقطع رسانا به سرعت کاهش‌می‌یابد، مقدار K برای هادی نواری شکل که ضخامت آن کمتر از عرض آن‌است، حداکثراست. زمانیکه شکل سطح مقطع هادی مربع کامل‌باشد از مقدار K صرف‌نظر‌می‌گردد و برای هادی با سطح مقطع دایره‌ای شکل نیز برابر با واحداست.

کنترل از راه دور کلید قدرت توسط میکروکنترلر