المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي: التشغيل والمزايا وأنواعها

تستخدم المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي الهواء المضغوط أو الغاز كوسيلة لقطع القوس الكهربائي. يتم تخزين الهواء المضغوط في خزان، وعند الحاجة يتم إطلاقه عبر فوهة لتوليد رذاذ عالي السرعة. يلعب هذا الرذاذ دورًا حاسمًا في إخماد القوس الذي يتشكل عند قطع المقاطعة الكهربائية للتيار الكهربائي.

تُستخدم المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي بشكل شائع في التطبيقات الداخلية ضمن نطاق الجهد المتوسط إلى العالي مع قدرات القطع المتوسطة. عادةً ما تكون مناسبة لأجهزة تصل إلى 15 كيلوفولت وقدرات قطع تصل إلى 2500 ميغا فولت أمبير. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الآن في محطات التحويل الخارجية ذات الجهد العالي لخطوط 220 كيلوفولت.

بينما يمكن أن تستخدم عدة غازات مثل ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والفريون أو الهيدروجين كوسيلة لقطع القوس الكهربائي، فقد أصبح الهواء المضغوط الخيار المفضل للمقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي. هناك عدة أسباب مقنعة لذلك:

• النيتروجين: قدراته على قطع الدائرة مماثلة لتلك الخاصة بالهواء المضغوط، مما لا يوفر أي ميزة كبيرة من حيث الأداء.

• ثاني أكسيد الكربون: أحد أهم عيوبه هو صعوبة السيطرة على تدفقه. فهو يميل للتجمد عند الصمامات وغيرها من المرور الضيقة، مما يمكن أن يعطل عمل المقاطعة الكهربائية بشكل صحيح.

• الفريون: رغم أنه يتمتع بقوة عازلة عالية وخواص ممتازة لإخماد القوس الكهربائي، إلا أنه يأتي بتكلفة باهظة. بالإضافة إلى ذلك، عندما يتعرض لقوس كهربائي، يتحلل إلى عناصر تشكل حمضًا، مما يشكل خطراً على المعدات والبيئة المحيطة.

توفر المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي العديد من الخصائص المرغوبة:

• التشغيل السريع: في الشبكات الكهربائية الكبيرة المتصلة، يعد الحفاظ على استقرار النظام أمرًا بالغ الأهمية. تتميز المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي في هذا الجانب بسبب الفترة الزمنية القصيرة جدًا بين إطلاق النبض المحفز وفصل الأطراف. هذا الاستجابة السريعة تساعد في تقليل تأثير الأعطال على الشبكة الكهربائية العامة.

• الملاءمة للتشغيل المتكرر: على عكس المقاطعات الكهربائية التي تستخدم الزيت والتي يمكن أن تكرب وتتدهور بسرعة مع التحويل المتكرر، يمكن للمقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي تحمل التشغيل المتكرر. عدم وجود زيت يعني أيضًا أن هناك ارتدادات وتراب أقل على سطوح الأطراف الحاملة للتيار. ومع ذلك، فمن الضروري ضمان توفير مستمر وكافي للهواء المضغوط عند التوقع تشغيل متكرر.

• صيانة محدودة: القدرة على التعامل مع التحويل المتكرر بسهولة تترجم إلى تقليل متطلبات الصيانة. وهذا ليس فقط يوفر تكاليف الصيانة ولكنه يعزز أيضًا موثوقية وتوفر المقاطعة الكهربائية.

• إزالة خطر الحريق: بما أن المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي لا تحتوي على زيت، فإن خطر الحريق المرتبط بالمقاطعات الكهربائية المليئة بالزيت يزول تمامًا، مما يجعلها خيارًا أكثر أمانًا للتركيبات الكهربائية.

• حجم مخفض: يسمح نمو قوة العزل السريع في المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي بوجود فجوة نهائية صغيرة مطلوبة لإخماد القوس. هذا التصميم المدمج يؤدي إلى أجهزة أصغر حجمًا، والتي يمكن دمجها بسهولة أكبر في الأنظمة الكهربائية واحتلال مساحة أقل.

مبدأ إخماد القوس الكهربائي

تعتمد المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي على نظام هواء مضغوط إضافي لتزويد الهواء إلى خزان الهواء. عند الحاجة لفتح المقاطعة الكهربائية، يتم توجيه الهواء المضغوط إلى غرفة إخماد القوس. يمارس هذا الهواء ذو الضغط العالي قوة على الأطراف المتحركة، مما يؤدي إلى فصلها. أثناء انفصال الأطراف، يقوم التيار الهوائي بنقل الغاز المؤين الذي يتشكل من القوس، مما يؤدي إلى إخماده.

عادةً ما يتم إخماد القوس خلال دورة واحدة أو أكثر. بعد إخماد القوس، يتم ملء غرفة القوس بالهواء ذو الضغط العالي، مما يساعد في منع إعادة الاشتعال. تندرج المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي تحت فئة نوع الطاقة الخارجية لإخماد القوس. الطاقة المستخدمة لإخماد القوس مشتقة من الهواء ذو الضغط العالي، مستقلة عن التيار المقطوع.

أنواع المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي

تعمل جميع المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي على مبدأ فصل أطرافها في تيار هوائي يتشكل بواسطة فتح صمام الانفجار. القوس الذي يتشكل يتم توجيهه بسرعة عبر فوهة، حيث يتم الحفاظ عليه بطول ثابت ويكون معرضاً لأقصى قوة للتيار الهوائي. بناءً على اتجاه تيار الهواء المضغوط حول الأطراف، يمكن تصنيف المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي إلى ثلاثة أنواع:

• المقاطع الكهربائية ذات التيار الهوائي المحوري: في هذا النوع، يكون تدفق الهواء موازيًا للقوس، يتدفق طوليًا على طول طوله. يمكن تقسيم المقاطع الكهربائية ذات التيار الهوائي المحوري إلى نوع واحد أو نوع ثنائي. بعض الترتيبات الثنائية، حيث يتدفق تيار الهواء المضغوط بشكل مركزي إلى الفوهة أو المساحة بين الأطراف، يشار إليها أحيانًا باسم المقاطع الكهربائية ذات التيار الهوائي المركزي، رغم أن المفهوم الأساسي للتصميم هو التدفق المحوري.

يوضح الرسم البياني أعلاه البنية الأساسية وعمل المقاطع الكهربائية ذات التيار الهوائي. تحت ظروف التشغيل العادية، تبقى الأطراف الثابتة والأطراف المتحركة في حالة مغلقة، محملة بالقوة الممارسة بواسطة الربيع. يتم ربط خزان الهواء بمجرة القوس عبر صمام هواء. يتم تنشيط هذا الصمام بواسطة آلية نبض ثلاثي، والذي يثير فتحه عند حدوث عطل أو الحاجة لقطع التيار.

عند حدوث عطل في النظام الكهربائي، يعمل نبض الإطلاق كمحفز للعمل. ينشط هذا النبض صمام الهواء الذي يربط خزان الهواء بمجرة القوس، مما يؤدي إلى فتحه. عندما يتدفق الهواء ذو الضغط العالي من الخزان إلى مجرة القوس، فإنه يمارس قوة كبيرة على الأطراف المتحركة. بمجرد أن يتجاوز ضغط الهواء المقاومة المقدمة من قوة الربيع التي تحافظ عادة على الأطراف مغلقة، تبدأ الأطراف المتحركة في الانفصال، مما يبدأ عملية قطع التيار الكهربائي وإخماد القوس.

عند انفصال الأطراف بسبب ضغط الهواء ذو السرعة العالية، يتشكل قوس بينهما. الهواء المتدفق بسرعة عالية محوريًا على طول طول القوس يزيل الحرارة من محيط القوس بكفاءة. عندما يقترب التيار من الصفر، فإن هذا الاستخراج المستمر للحرارة يؤدي إلى تقلص قطر القوس بشكل كبير. في اللحظة التي يصل فيها التيار إلى الصفر، يتم قطع القوس بنجاح. بعد ذلك، يملأ الهواء الجديد، المتدفق عبر الفوهة، المساحة بين الأطراف. هذا التدفق من الهواء الجديد يزيل الغازات المؤينة الساخنة الموجودة في مساحة الأطراف، مما يعيد قوة العزل بين الأطراف بسرعة ويمنع أي إعادة اشتعال محتملة للقوس.

المقاطع الكهربائية ذات التيار الهوائي العرضي

في المقاطع الكهربائية ذات التيار الهوائي العرضي، تعمل آلية إخماد القوس بطريقة مختلفة. هنا، يتم توجيه تيار الهواء العرضي عموديًا على القوس نفسه. يقدم الشكل أدناه توضيحًا مخططًا لمبدأ التيار الهوائي العرضي المستخدم في هذا النوع من المقاطع الكهربائية. عند تشغيل ذراع الاتصال المتحركة في مساحة محصورة، يتشكل قوس. على الفور، يدفع تيار الهواء العرضي هذا القوس نحو الصفائح المجزئة. تقوم الصفائح المجزئة بتقسيم القوس إلى أجزاء أصغر، مما يشتت طاقته. هذه العملية تضعف القوس بشكل فعال بحيث بعد مرور التيار عبر الصفر، يفتقر القوس للطاقة اللازمة لإعادة الاشتعال، مما يضمن قطع الدائرة الكهربائية بنجاح.

تبديل المقاومة وعيوب المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي

تبديل المقاومة

عادةً، لا يعتبر التبديل المقاوم ضروريًا تمامًا في المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي. عند إخماد القوس، يخلق مقاومة بشكل طبيعي، مما يساعد في تنظيم الجهد العابر للإعادة. ومع ذلك، إذا تم اعتبار المقاومة الإضافية مفيدة لتطبيقات معينة، يمكن دمجها بتوصيل مقاومة عبر قسم مجزئ القوس. توفر هذه المقاومة الإضافية طبقة إضافية من السيطرة على الجهد العابر، مما يحسن أداء المقاطعة الكهربائية في ظروف معينة.

عيوب المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي

واحدة من أهم العيوب في المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي هي الحاجة الصارمة لتوفير تيار هواء مضغوط مستمر وبضغط دقيق. لضمان هذا التوفر، غالبًا ما تكون التجهيزات الكبيرة مطلوبة، وغالبًا ما تتضمن مضختين أو أكثر. صيانة هذا المصنع المعقد للضغط ليست مهمة بسيطة؛ فهي تتطلب صيانة منتظمة لكي تظل المضخات تعمل بكفاءة ولحل أي مشاكل ميكانيكية قد تنشأ.

بالإضافة إلى ذلك، يعتبر تسرب الهواء عند مفاصل الأنابيب مشكلة مستمرة. حتى التسريبات البسيطة يمكن أن تستنزف ضغط الهواء تدريجيًا، مما يؤثر على أداء المقاطعة الكهربائية. يمكن أن يكون اكتشاف وإصلاح هذه التسريبات مرهقًا ومتعبًا. هذه التحديات الصيانة، مجتمعة مع الحاجة لنظام تزويد الهواء المعقد، تساهم في زيادة تكاليف التشغيل.

مقارنة بالمقاطعات الكهربائية ذات الزيت أو أنواع أخرى من المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي، تعتبر المقاطعات الكهربائية ذات التيار الهوائي مكلفة بشكل خاص لتطبيقات الجهد المنخفض. البنية التحتية الواسعة المطلوبة لتوليد الهواء المضغوط والنفقات المرتبطة بالصيانة تجعلها غير فعالة من حيث التكلفة في السيناريوهات التي تنطوي على جهود منخفضة، مما يحد من استخدامها الواسع في مثل هذه السياقات.