كيفية اختيار قواطع الدائرة ذات الفراغ بشكل صحيح

01 المقدمة

في الأنظمة ذات الجهد المتوسط، تعتبر مفاتيح الدائرة الكهربائية من المكونات الأساسية الضرورية. تهيمن مفاتيح الدائرة الكهربائية الفراغية على السوق المحلية. لذا، فإن التصميم الكهربائي الصحيح لا يمكن فصله عن اختيار مفاتيح الدائرة الكهربائية الفراغية المناسبة. في هذا القسم، سنناقش كيفية اختيار مفاتيح الدائرة الكهربائية الفراغية بشكل صحيح وأخطاء شائعة في اختيارها.

02 لا يجب أن تكون قدرة القطع للتيار القصير عالية جدًا

لا يجب أن تكون قدرة القطع للتيار القصير لمفتاح الدائرة كهربائيًا عالية جدًا، ولكن يجب أن يكون لها هامش معين لتلبية توسع طاقة الشبكة المستقبلي الذي قد يؤدي إلى زيادة التيار القصير. ومع ذلك، في التصميم الكهربائي الفعلي، غالبًا ما تكون قدرة القطع المختارة لمفاتيح الدائرة أعلى بكثير مما هو ضروري.

على سبيل المثال، في محطات التحويل للمستخدم النهائي ضمن أنظمة 10 كيلوفولت، يكون التيار القصير للأعمدة الكهربائية حوالي 10 كيلو أمبير، وفي الأنظمة ذات الطاقة الأكبر، قد يصل إلى 16 كيلو أمبير. ومع ذلك، في الرسومات الهندسية للتصميم الكهربائي، غالباً ما يتم تحديد قدرة القطع لمفاتيح الدائرة الفراغية بقدر 31.5 كيلو أمبير، أو حتى 40 كيلو أمبير. هذه القدرة العالية للقطع تؤدي إلى استثمار مهدر. في الحالات المذكورة أعلاه، تكون قدرة القطع 20 كيلو أمبير أو 25 كيلو أمبير كافية. ومع ذلك، فإن مفاتيح الدائرة الفراغية بقدرة قطع 31.5 كيلو أمبير حاليًا في طلب كبير وتصنع بشكل كميات كبيرة، مما يؤدي إلى تقليل تكاليف التصنيع والأسعار، وبالتالي أصبحت أكثر انتشارًا.

في التصميم الكهربائي، تكون التيار القصير المحسوبة عادة مرتفعة. السبب هو أن مقاومة النظام وإعاقة الدائرة غالباً ما يتم تجاهلها أثناء الحساب. بالطبع، يجب اختيار قدرة القطع لمفاتيح الدائرة بناءً على أكبر تيار قصير ممكن. ومع ذلك، يجب ألا يكون قيمة الضبط لحماية التيار القصير بناءً على أكبر تيار قصير ممكن.

وهذا لأن الأقواس الكهربائية تحدث غالبًا أثناء التيار القصير، ومقاومة الأقواس عالية جدًا. في حسابات التصميم، يتم التعامل مع التيار القصير كأنه تيار قصير ثلاثي الأطوار خالص، مع افتراض عدم وجود أقواس ولا مقاومة اتصال. في الإحصائيات الفعلية للأعطال، يمثل التيار القصير الأحادي الأطوار أكثر من 80% من الأعطال، والأقواس موجودة تقريبًا دائمًا أثناء حوادث التيار القصير. نتيجة لذلك، يكون التيار القصير الفعلي أقل بكثير من القيمة المحسوبة المثالية.

إذا كانت قيمة الضبط لحماية التيار القصير مرتفعة جدًا، فإنها تقلل من حساسية الحماية أو تسبب فشل الحماية الفورية في العمل. في الممارسة الهندسية، المشكلة ليست في فشل مفتاح الدائرة في القطع، بل في عدم تفعيل عنصر الحماية بسبب قيم الضبط المرتفعة. بالمناسبة، نادرًا ما يحدث التيار القصير الثلاثي الأطوار الخالص - يحدث فقط عندما لا يتم إزالة أسلاك الأرض بعد الصيانة قبل إغلاق المفتاح. ومع ذلك، يتم عادةً القيام بالأرضية عبر مفاتيح الأرض أو عربات الأرض، وهناك وظائف التداخل، مما يجعل حدوث التيار القصير الثلاثي الأطوار الخالص أمرًا شديد الندرة.

في الرسومات الهندسية الكهربائية، من الشائع رؤية قدرة القطع لمفتاح الدائرة الرئيسي الوارد محددة بمستوى أعلى من قدرة القطع لمفاتيح الدائرة الفرعية. هذا غير ضروري. يتعامل المفتاح الرئيسي مع أعطال التيار القصير للأعمدة الكهربائية، بينما يتعامل المفاتيح الفرعية مع الأعطال في دوائرها الخاصة. ومع ذلك، بالقرب من الجانب المحمل لمفتاح الدائرة الفرعية، بسبب قربه من الأعمدة الكهربائية، يكون التيار القصير ليس مختلفًا بشكل كبير عن تيار القصر للأعمدة الكهربائية. لذا، يجب أن تكون قدرة القطع لمفاتيح الدائرة الرئيسية والفرعية هي نفسها.

03 متطلبات الحياة الكهربائية والميكانيكية لا يجب أن تكون عالية جدًا

الحياة الكهربائية المشار إليها هنا لا تعني عدد المرات التي يمكن لمفتاح الدائرة فيها الفتح والإغلاق تحت التيار المقنن أو جزء منه في فترات زمنية محددة، بل عدد المرات التي يمكنه فيها قطع التيار القصير دون الحاجة للصيانة. لا يوجد معيار وطني لهذا العدد. عادةً ما يقوم المصنعون بتصميمه ليتحمل 30 عملية قطع. بعض المنتجات المصنعة يمكن أن تتحمل 50. في مستندات المناقصات للمشاريع المستخدم، من الشائع رؤية متطلبات عالية جدًا لعدد عمليات قطع التيار القصير. على سبيل المثال، طلبت مستندات المناقصة أن يقوم مفتاح الدائرة الفراغي لحماية الخط 12 كيلوفولت بقطع التيار القصير المقنن 100 مرة، مع حياة ميكانيكية تبلغ 100,000 عملية وقطع التيار المقنن 20,000 مرة - هذه المتطلبات غير معقولة.

عدم الحاجة إلى عدد عالٍ جداً من عمليات قطع التيار القصير. يعتبر التيار القصير عطل كهربائي كبير. يجب التعامل مع كل حدث كحادث خطير يتطلب تحليل الأسباب الجذرية واتخاذ إجراءات تصحيحية لمنع تكراره. لذا، خلال فترة الخدمة الفعالة لمفتاح الدائرة، سيقوم بقطع التيار القصير عدة مرات فقط. كلما ارتفع الجهد النظام، كلما زادت الأضرار الناجمة عن التيار القصير، ولكن انخفضت احتمالية حدوثه. لذا، يكون مفتاح الدائرة الكهربائية ذو الجهد المتوسط قادرًا على قطع 30 تيار قصير كافياً. اختبار النوع لقطع التيار القصير مكلف. بالنسبة لمفتاح الدائرة الفراغي 12 كيلوفولت، يبلغ تكلفة كل اختبار لقطع التيار القصير حاليًا حوالي 10,000 يوان. إجراء اختبارات مفرطة يكلف الكثير ويكون غير ضروري.

هل يعني عدد أكبر من عمليات القطع الناجحة قدرة قطع أفضل؟ هذا هو سوء فهم آخر شائع. يكمن جوهر اختبار قطع التيار القصير لمفاتيح الدائرة الفراغية في أول عشر عمليات. طالما نجح المفتاح في قطع التيار المحدد في أول عشر عمليات، فإن أدائه اللاحق يكون عادةً موثوقًا به. تظهر البيانات الإحصائية من اختبارات النوع أن احتمالية الفشل هي الأعلى في أول عشر عمليات القطع وتقل تدريجيًا مع زيادة عدد العمليات. بعد 30 عملية قطع، تكون احتمالية الفشل في الاختبارات اللاحقة قريبة من الصفر. لذا، القدرة على قطع 30 مرة لا تعني أنه لا يمكن قطع 50 مرة - بل يعني فقط أن المزيد من الاختبارات غير ضرورية.

بالنسبة لحياة مفاتيح الدائرة الفراغية الميكانيكية، لا حاجة لمتطلبات عالية جدًا. الفئة M1 أصلاً ليست أقل من 2,000 عملية، والفئة M2 فقط 10,000. الآن، تقوم الشركات المصنعة بالتنافس في الحياة الميكانيكية - أحدهم يدعي 25,000، والآخر يدعي 100,000. في عملية المناقصة، يقوم المشاركون بتقديم قيم الحياة الميكانيكية، وهذا بلا معنى لمفاتيح الدائرة الفراغية المستخدمة للتوزيع. ومع ذلك، في التطبيقات المحددة مثل التحويل المتكرر للمحركات والأفران القوسية أو دارات التعويض التلقائي للمكثفات، تكون مفاتيح الاتصال أكثر ملاءمة (غالبًا ما تستخدم مفاتيح الدائرة SF6 لتحويل البنوك المكثفية ذات الجهد المتوسط). تتجاوز مفاتيح الاتصال الحياة الميكانيكية والكهربائية مليون عملية (حياتها الكهربائية تُقاس بواسطة قطع التيار المقنن، وليس التيار القصير). لا حاجة للتنافس على الحياة الميكانيكية في مفاتيح الدائرة.

04 متطلبات مفرطة لمعايير كهربائية أخرى

قدرة تحمل التيار القصير لمدة قصيرة لمفتاح الدائرة تشير إلى قدرته على تحمل الإجهاد الحراري للتيار القصير أثناء العطل. هذا ليس نفس ارتفاع درجة الحرارة. اختبار ارتفاع درجة الحرارة يشمل عبور التيار المقنن أو المحدد عبر المفتاح لفترة طويلة وضمان أن ارتفاع درجة الحرارة في النقاط المختلفة لا يتجاوز الحدود المحددة. يتم اختبار قدرة تحمل التيار القصير لمدة قصيرة لمفتاح الدائرة عادة لمدة 3 ثوانٍ.

خلال هذه الفترة، يجب ألا يسبب الحرارة المنبعثة من التيار القصير أي ضرر للمفتاح. قدرة تحمل حراري لمدة 3 ثوانٍ كافية. السبب هو أنه بعد حدوث التيار القصير، قد تتضمن الحماية المتدرجة تأخيرًا مقصودًا لضمان التمييز. بالنسبة للحماية الزمنية، يكون التأخير بين المفاتيح المجاورة 0.5 ثانية لضمان التمييز. إذا كان الفرق بين المفاتيح يبلغ مستوىين، يكون وقت التأخير 1 ثانية؛ وإذا كان ثلاثة مستويات، يكون 1.5 ثانية. قدرة تحمل حراري لمدة 3 ثوانٍ كافية بالفعل. ومع ذلك، يصر بعض المستخدمين أو المصممين على قدرة تحمل حراري لمدة 5 ثوانٍ، وهو حقًا غير ضروري.

خلال عملية إغلاق مفتاح الدائرة، قد ترتد الأطراف المتحركة والسكونية. إذا كان وقت الردة طويلًا جدًا أو كان التزامن الثلاثي لإغلاق الأطراف كبيرًا، فقد يحدث انهيار وإعادة تشغيل بين الأطراف. إعادة التشغيل تسبب عملية شحن وتفريغ في الدائرة، مما يزيد من الانحدار والحجم الزائد للجهد. يُعرف هذا الجهد الزائد بأنه جهد زائد إعادة التشغيل للأطراف.

خطره قد يتجاوز جهد قطع التيار الزائد لمفاتيح الدائرة الفراغية، مما يهدد العزل بين الألفاظ في المحولات والمحركات. لذا، يجب ألا يتجاوز وقت الردة والتزامن الثلاثي 2 مللي ثانية. يتم تصنيع معايير مفاتيح الدائرة الحالية لتلبية هذا الشرط. ومع ذلك، يطالب بعض المستخدمين بقيم أقل من 2 مللي ثانية، وحتى يطالبون بأن لا تتجاوز 1 مللي ثانية، وهو يتجاوز القدرات التقنية الحالية.

05 المشاكل السلبية الناجمة عن زيادة التيار الأولي العالي لمفاتيح الفراغ

التيار الأولي المقنن لمفاتيح الفراغ ذات الجهد المتوسط هو 630 أمبير. حالياً، بعض الشركات المصنعة لم تعد تنتج الإصدارات 630 أمبير، وارتفع التيار الأولي الأدنى إلى 1250 أمبير. هذا يتعلق بتصنيع مفاتيح الفراغ. ومع ذلك، فإنه يجلب سلسلة من النتائج السلبية. نظرًا لارتفاع التيار الأولي لمفاتيح الفراغ، يجب أن تتطابق مفاتيح الدائرة الفراغية المجمعة بهذه المفاتيح مع تصنيف التيار للمفتاح.

وبالتالي، يجب أن تتطابق جميع المكونات المرتبطة - مثل الأعمدة، وأطراف الاتصال القابلة للتركيب على الأعمدة، وأطراف الاتصال الثابتة في اللوحة الكهربائية - مع تصنيف التيار للمفتاح. هذا يؤدي إلى إهدار شديد للمعادن غير الحديدية في معظم الحالات. على سبيل المثال، قد يزود مفتاح الدائرة الكهربائية 12 كيلوفولت فقط محولًا بقوة 1000 كيلو فولت أمبير، حيث يكون التيار المقنن لجهة 10 كيلوفولت فقط 57.7 أمبير. ومع ذلك، بما أن التيار الأولي لمفتاح الفراغ يبدأ عند 1250 أمبير، يجب أن يكون تصنيف مفتاح الدائرة 1250 أمبير. وبالتالي، يجب أن يكون تصنيف جميع ملحقات المفتاح على الأقل 1250 أمبير، وأن يكون تصنيف الأطراف الثابتة في اللوحة الكهربائية على الأقل 1250 أمبير، مما يؤدي إلى إهدار كبير للمعادن غير الحديدية.

أسوأ من ذلك، يصر المستخدمون أو المصممون على أن قدرة التوصيل للأسلاك الرئيسية في اللوحة الكهربائية يجب أن تتطابق مع تصنيف مفتاح الدائرة - أي أن قدرة التوصيل للأسلاك مصممة لـ 1250 أمبير. في الواقع، تكون قدرة 60 أمبير كافية، وطالما أن المساحة الصغرى لأسلاك الدائرة تمر باختبارات الاستقرار الديناميكي والحراري، هناك مجال كبير لتوفير المواد.