صنع حالة تحت تيار قصير الدائرة لتجهيزات التوزيع الكهربائية
شرح مفصل لتدفق التيار وإثارة القوس الكهربائي في المعدات الكهربائية
في المعدات الكهربائية، وخاصة في قواطع الدائرة (CB) ومفاتيح فصل الحمل (LBS)، يشير تدفق التيار إلى العملية التي يتم فيها إثارة قوس كهربائي عندما تبدأ الأطراف بالتقارب. هذه العملية لا تبدأ بالضبط عند لمس الأطراف بعضها البعض ولكن يمكن أن تحدث قبل ذلك ببضع مللي ثوانٍ بسبب ظاهرة تُعرف بالإثارة المبكرة. فيما يلي شرح مفصل لهذه الظاهرة وآثارها.
الإثارة المبكرة: بدء القوس قبل لمس الأطراف
انهيار العازل: أثناء عملية الإغلاق وتقارب الأطراف، يحدث انهيار للعازل (مثل الهواء أو SF6 أو الفراغ) بين الأطراف. هذا يحدث لأن المجال الكهربائي في الفجوة بين الأطراف يزداد كلما اقتربت الأطراف. عندما يتخطى قوة المجال الكهربائي قوة العازل، يحدث الانهيار ويبدأ القوس الكهربائي.
تراكم المجال الكهربائي: يتراكم المجال الكهربائي بين الأطراف كلما اقتربت من بعضها. هذا المجال يتناسب طردياً مع الجهد عبر الأطراف ومعكوساً مع المسافة بينهما. عندما يصبح المجال كافياً، يسبب أيونية جزيئات الغاز في الفجوة، مما يؤدي إلى تكوين مسار موصل للتيار.
بدء القوس: يبدأ القوس قبل أن تلمس الأطراف بعضها البعض، عادةً ببضع مللي ثوانٍ. يُطلق على هذا البدء المبكر للقوس اسم الإثارة المبكرة. خلال الإثارة المبكرة، يتشكل القوس في الفجوة الصغيرة بين الأطراف، والتيار يبدأ بالتدفق عبر القوس بدلاً من الانتظار حتى تلمس الأطراف بعضها البعض.
آثار الإثارة المبكرة
ذوبان الزائد للأسطح: إذا كانت الطاقة المعنية بالإثارة المبكرة كبيرة، يمكن أن تسبب ذوباناً زائداً لأسطح الأطراف. وهذا مشكلة خاصة في حالات الدائرة القصيرة، حيث يمكن أن يكون التيار مرتفعاً للغاية. يمكن أن يؤدي المعدن المنصهر على أسطح الأطراف إلى لحام الأطراف، حيث تتداخل السطوح مع بعضها البعض.
لحام الأطراف: الأطراف اللحامية يمكن أن تمنع الجهاز من الاستجابة بشكل صحيح للأمر التالي لفتح الدائرة. إذا لم يوفر نظام التشغيل للمعدات الكهربائية قوة كافية لكسر النقاط اللحامية، فقد يفشل الجهاز في الفتح بشكل صحيح، مما يؤدي إلى مخاطر سلامة محتملة وتلف المعدات.
خصائص تيار الدائرة القصيرة: غالباً ما تحتوي التيارات القصيرة على مكون مستمر DC، مما يمكن أن يجعل قيمة الذروة للتيار أعلى بكثير من قيمة تيار الدائرة القصيرة النقي AC. يمكن لهذا التيار الذروي المتزايد أن يزيد من آثار الإثارة المبكرة، مما يؤدي إلى تلف أكثر حدة للأطراف ولحامها.
اعتماد جهد القوس: الجهد عبر القوس (جهد القوس) يعتمد بشكل كبير على الوسط العازل المستخدم في المعدات الكهربائية. حتى مع أطوال قوس قصيرة جداً، يمكن أن تكون هناك هبوط جهد كبير بالقرب من الأقطاب. هذا لأن مقاومة القوس ليست موحدة على طولها، والأجزاء بالقرب من الأقطاب تميل إلى أن تكون مقاومتها أعلى بسبب تركيز الحرارة والجزيئات المؤينة.
عملية الإغلاق في حالات الدائرة القصيرة
قواطع الدائرة (CB): في قواطع الدائرة، تعتبر عملية الإغلاق في حالات الدائرة القصيرة تحدياً خاصاً. المستويات العالية للتيار وجودة المكون المستمر DC يمكن أن تؤدي إلى قوس كهربائي شديد وتلف الأطراف. صُممت قواطع الدائرة الحديثة باستخدام مواد متقدمة وآليات تبريد لتخفيف هذه الآثار، ولكن الإثارة المبكرة تظل مصدر قلق.
مفاتيح فصل الحمل (LBS): مفاتيح فصل الحمل أيضاً عرضة للإثارة المبكرة أثناء عملية الإغلاق، خاصة في التطبيقات ذات التيار العالي. ومع ذلك، تستخدم أجهزة LBS عادةً في تطبيقات الجهد والتيار المنخفضة مقارنة بقواطع الدائرة، لذا فإن خطر التلف الشديد للأطراف أقل عموماً.
مراحل عملية الإغلاق في المعدات الكهربائية
يمكن تقسيم عملية الإغلاق في المعدات الكهربائية إلى عدة مراحل، كما هو موضح في الشكل:
المرحلة الأولى: التقارب الأولي للأطراف: تبدأ الأطراف بالتحرك نحو بعضها البعض، ويبدأ المجال الكهربائي بينهما بالتراكم. في هذه المرحلة، لا يتدفق أي تيار، لكن احتمال الإثارة المبكرة يزداد.
المرحلة الثانية: تكوين القوس المبكر: بينما تقترب الأطراف، يتجاوز المجال الكهربائي قوة العازل للوسط العازل، مما يؤدي إلى انهيار العازل. يتشكل قوس مبكر، ويبدأ التيار بالتدفق عبر القوس قبل أن تلمس الأطراف بعضها البعض.
المرحلة الثالثة: لمس الأطراف ونقل القوس: تلمس الأطراف بعضها البعض أخيراً، وينقل القوس من الفجوة بين الأطراف إلى أسطح الأطراف. يستمر التيار بالتدفق عبر الدائرة المغلقة.
المرحلة الرابعة: التشغيل المستقر: بعد إغلاق الأطراف تماماً، يدخل النظام في حالة التشغيل المستقر، والتيار يتدفق عبر الأطراف المغلقة دون أي قوس كهربائي.
استراتيجيات التخفيف
للتقليل من آثار الإثارة المبكرة ولحام الأطراف، يمكن استخدام العديد من استراتيجيات التصميم والتشغيل:
استخدام الوسط العازل ذو القوة العالية: استخدام الوسط العازل ذو القوة العالية، مثل غاز SF6 أو الفراغ، يمكن أن يقلل من احتمال الإثارة المبكرة عن طريق الحاجة إلى مجال كهربائي أعلى لإثارة الانهيار.
مواد الأطراف المتقدمة: استخدام مواد الأطراف ذات درجات الذوبان العالية والتوصيل الحراري الجيد يمكن أن يساعد في تقليل تلف الأطراف أثناء الإثارة المبكرة. المواد مثل سبائك النحاس والتنجستن تستخدم بشكل شائع في المعدات الكهربائية ذات الجهد العالي.
آليات التبريد: دمج آليات التبريد، مثل أنظمة النفخ أو تدفق الغاز القسري، يمكن أن يساعد في تبديد الحرارة من القوس وتقليل درجة حرارة أسطح الأطراف، مما يقلل من خطر اللحام.
تحسينات التصميم الميكانيكي: التأكد من أن نظام التشغيل يوفر قوة كافية لكسر أي نقاط لحامية أثناء عملية الفتح يمكن أن يمنع المعدات الكهربائية من الفشل في الفتح بشكل صحيح.
أنظمة الحماية: تنفيذ أنظمة الحماية، مثل الأجهزة المحمية ضد التيار الزائد وأنظمة الكشف عن الأعطال، يمكن أن يساعد في اكتشاف الرد على حالات الدائرة القصيرة بشكل أسرع، مما يقلل من مدة وشدة القوس.
الخاتمة
ظاهرة الإثارة المبكرة، حيث يبدأ القوس قبل أن تلمس الأطراف بعضها البعض، هي جانب مهم من عملية الإغلاق في المعدات الكهربائية. يمكن أن تؤدي إلى تلف زائد للأطراف ولحامها وفشل الجهاز. فهم العوامل التي تساهم في الإثارة المبكرة، مثل تراكم المجال الكهربائي وخصائص الوسط العازل، أمر ضروري لتصميم وتشغيل المعدات الكهربائية الموثوقة. من خلال استخدام استراتيجيات التخفيف المناسبة، مثل استخدام الوسط العازل ذو القوة العالية والمواد المتقدمة للأطراف وآليات التبريد، يمكن تقليل آثار الإثارة المبكرة، مما يضمن تشغيل آمن وموثوق للمعدات الكهربائية في قواطع الدائرة ومفاتيح فصل الحمل.
