إعداد الشروط تحت تيار القصر لتجهيزات التوزيع الكهربائية

شرح مفصل لظاهرة تدفق التيار وإشعال القوس الكهربائي المبكر في أجهزة التحويل
في أجهزة التحويل، خاصة في المقاطع الكهربائية (CB) ومفاتيح قطع الحمل (LBS)، يشير تدفق التيار إلى العملية التي يتم فيها إشعال قوس كهربائي عندما تبدأ الأطراف بالتقارب. هذه العملية لا تبدأ بالضبط عند لمس الأطراف بعضها البعض ولكن يمكن أن تحدث عدة مللي ثوانٍ قبل ذلك بسبب ظاهرة تُعرف بإشعال القوس الكهربائي المبكر. فيما يلي شرح مفصل لهذه الظاهرة وأهميتها.
1. إشعال القوس الكهربائي المبكر: بدء القوس الكهربائي قبل لمس الأطراف
•    انهيار العازل: أثناء اقتراب الأطراف من بعضها البعض خلال عملية الإغلاق، يتعرض الوسط العازل (مثل الهواء أو غاز السلفور هكسافلوريد أو الفراغ) بينهما للانهيار. يحدث هذا لأن المجال الكهربائي في الفجوة بين الأطراف يزداد كلما اقتربت الأطراف. عندما يتجاوز قوة المجال الكهربائي قوة الانهيار العازلة للوسط، تتعرض الفجوة للانهيار ويتم إشعال قوس كهربائي.
•    بناء المجال الكهربائي: يبني المجال الكهربائي بين الأطراف مع حركتهما نحو بعضهما البعض. هذا المجال يتناسب طردياً مع الجهد عبر الأطراف ومعكوساً مع المسافة بينهما. عندما يصبح المجال قوياً بما فيه الكفاية، يسبب تأيين جزيئات الغاز في الفجوة، مما يؤدي إلى تكوين مسار موصل للتيار ليتدفق.
•    بدء القوس الكهربائي: يبدأ القوس الكهربائي قبل أن تلمس الأطراف بعضها البعض، عادةً بعدة مللي ثوانٍ. يُطلق على هذا البدء المبكر للقوس اسم إشعال القوس الكهربائي المبكر. خلال هذه العملية، يتشكل القوس في الفجوة الصغيرة بين الأطراف، ويتوجه التيار عبر القوس بدلاً من الانتظار حتى تلمس الأطراف بعضها البعض.
2. آثار إشعال القوس الكهربائي المبكر
•    ذوبان زائد لسطح الأطراف: إذا كان الطاقة المعنية في إشعال القوس الكهربائي المبكر كبيرة، يمكن أن تسبب ذوباناً زائداً لسطح الأطراف. هذا أمر مشكل خصوصاً في حالات قصر الدائرة حيث يكون التيار مرتفعاً للغاية. يمكن أن يؤدي الذوبان المعدني على سطح الأطراف إلى اللحام بين الأطراف، حيث يندمج السطحان معًا.
•    لحام الأطراف: الأطراف الملتصقة يمكن أن تمنع الجهاز من الاستجابة بشكل صحيح للأمر التالي لفتح الدائرة. إذا لم يوفر نظام التشغيل لأجهزة التحويل قوة كافية لكسر النقاط الملتصقة، فقد يفشل الجهاز في فتح الدائرة بشكل صحيح، مما يؤدي إلى مخاطر سلامة محتملة وتلف المعدات.
•    خصائص تيار قصر الدائرة: غالباً ما يحتوي تيار قصر الدائرة على مكون مستمر، مما يمكن أن يجعل قيمة الذروة للتيار أعلى بكثير من تيار قصر الدائرة النقي. يمكن لهذا التيار الذروي المرتفع أن يزيد من آثار إشعال القوس الكهربائي المبكر، مما يؤدي إلى تلف أكثر خطورة للأطراف واللحام.
•    اعتماد الجهد عبر القوس: الجهد عبر القوس (جهد القوس) يعتمد بشكل كبير على الوسط المستخدم لقطع الدائرة في أجهزة التحويل. حتى مع أطوال قوس قصيرة جداً، يمكن أن تكون هناك انخفاضات جهد كبيرة بالقرب من الأقطاب. هذا لأن مقاومة القوس ليست موحدة على طول طوله، والمناطق بالقرب من الأقطاب تميل إلى أن تكون ذات مقاومة أعلى بسبب تركيز الحرارة والجزيئات المؤينة.
3. تشغيل تحت ظروف قصر الدائرة
•    المقاطع الكهربائية (CB): في المقاطع الكهربائية، يعتبر تشغيل الدائرة تحت ظروف قصر الدائرة تحدياً خاصاً. المستوى العالي للتيار وجودة المكون المستمر يمكن أن يؤديا إلى حدوث قوس كهربائي شديد وتلف الأطراف. صُممت المقاطع الكهربائية الحديثة باستخدام مواد متقدمة وآليات تبريد لتقليل هذه الآثار، لكن إشعال القوس الكهربائي المبكر يظل مسألة مثيرة للقلق.
•    مفاتيح قطع الحمل (LBS): تعتبر مفاتيح قطع الحمل أيضاً عرضة لإشعال القوس الكهربائي المبكر أثناء تشغيل الدائرة، خاصة في التطبيقات ذات التيار العالي. ومع ذلك، فإن أجهزة LBS تستخدم عادة في تطبيقات الجهد المنخفض والتيار المنخفض مقارنة بالمقطوعات الكهربائية، وبالتالي فإن خطر التلف الشديد للأطراف أقل عموماً.
4. مراحل تشغيل الدائرة في أجهزة التحويل
يمكن تقسيم تشغيل الدائرة في أجهزة التحويل إلى عدة مراحل كما هو موضح في الشكل:
•    المرحلة 1: الاقتراب الأولي للأطراف: تبدأ الأطراف في التحرك نحو بعضها البعض، ويبدأ المجال الكهربائي بينهما في البناء. في هذه المرحلة، لا يوجد تدفق للتيار، لكن احتمالية إشعال القوس الكهربائي المبكر تزداد.
•    المرحلة 2: تكوين القوس الكهربائي المبكر: بينما تقترب الأطراف، يتجاوز المجال الكهربائي قوة الانهيار العازلة للوسط العازل، مما يؤدي إلى انهيار العازل. يتم تكوين قوس كهربائي مبكر، ويبدأ التيار في التدفق عبر القوس قبل أن تلمس الأطراف بعضها البعض.
•    المرحلة 3: لمس الأطراف ونقل القوس: تلمس الأطراف بعضها البعض أخيراً، وينتقل القوس من الفجوة بين الأطراف إلى سطح الأطراف. يستمر التيار في التدفق عبر الدائرة المغلقة الآن.
•    المرحلة 4: التشغيل الثابت: بعد إغلاق الأطراف تماماً، يدخل النظام في حالة التشغيل الثابت، ويتوجه التيار عبر الأطراف المغلقة دون أي قوس كهربائي.
5. استراتيجيات التخفيف
للتقليل من آثار إشعال القوس الكهربائي المبكر ولحام الأطراف، يمكن استخدام عدة استراتيجيات تصميمية وتشغيلية:
•    استخدام الوسط العازل ذو قوة الانهيار العالية: استخدام الوسط العازل ذو قوة الانهيار العالية، مثل غاز السلفور هكسافلوريد أو الفراغ، يمكن أن يقلل من احتمالية إشعال القوس الكهربائي المبكر عن طريق الحاجة إلى مجال كهربائي أعلى لبدء الانهيار.
•    مواد الأطراف المتقدمة: استخدام مواد الأطراف ذات درجة انصهار عالية وموصلية حرارية جيدة يمكن أن يساعد في تقليل تلف الأطراف أثناء إشعال القوس الكهربائي المبكر. المواد مثل سبيكة النحاس والتنجستن تستخدم بشكل شائع في أجهزة التحويل ذات الجهد العالي.
•    آليات التبريد: دمج آليات التبريد، مثل أنظمة الضغط أو تدفق الغاز القسري، يمكن أن يساعد في تبديد الحرارة من القوس وتقليل درجة حرارة سطح الأطراف، مما يقلل من خطر اللحام.
•    تحسينات التصميم الميكانيكي: ضمان توفير نظام التشغيل قوة كافية لكسر أي نقاط ملتصقة أثناء عملية الفتح يمكن أن يمنع أجهزة التحويل من الفشل في الفتح بشكل صحيح.
•    أنظمة الحماية: تنفيذ أنظمة الحماية، مثل م(relays) وآليات اكتشاف العطل، يمكن أن يساعد في اكتشاف ورد الفعل على ظروف قصر الدائرة بشكل أسرع، مما يقلل من مدة وشدة القوس الكهربائي.
الخاتمة
تعتبر ظاهرة إشعال القوس الكهربائي المبكر، حيث يتم إشعال القوس قبل أن تلمس الأطراف بعضها البعض، جانبًا حاسمًا في عملية تشغيل الدائرة في أجهزة التحويل. يمكن أن تؤدي إلى تلف زائد للأطراف ولحام وإمكانية فشل جهاز التحويل. فهم العوامل المساهمة في إشعال القوس الكهربائي المبكر، مثل بناء المجال الكهربائي وخصائص الوسط العازل، أمر أساسي لتصميم وتشغيل أجهزة تحويل موثوقة. من خلال استخدام استراتيجيات التخفيف المناسبة، مثل استخدام الوسط العازل ذو قوة الانهيار العالية والمواد المتقدمة للأطراف وآليات التبريد، يمكن تقليل آثار إشعال القوس الكهربائي المبكر، مما يضمن التشغيل الآمن والموثوق لأجهزة التحويل سواء في المقاطع الكهربائية أو مفاتيح قطع الحمل.