|
حالتهاي گذرا در سيستمهاي قدرت
- فصل
4 - مدار شكن ها
مدار شكن ها
براي آناليز حالتهاي گذار سوئيچينگ ساده و
همچنين براي انجام مطالعات سيستميبزرگ، معمولا مدلسازي يك مدارشكن
بعنوان يك كليد آرماني كفايت دارد. به هنگاميكه تعامل مدار- قوسي را
مورد مطالعه قرار ميدهيم، كه در آن تاثير قوس الكتريكي بر روي
المانهاي سيستم بسيار مهم است، درك كامل فرآيندهاي فيزيكي بين
كنتاكتهاي مدارشكن از اهميت بسياري برخوردار ميباشد...
يك مدارشكن ولتاژ بالا بعنوان بخش لاينفكي از
ادوات سيستم قدرت بشمار ميآيد. وظيفه اصلي مدارشكن قطع جريانهاي
داراي خطا و همچنين عايق نمودن بخشهاي اشكالزاي سيستم ميباشد. علاوه
بر جريانهاي اتصال كوتاه، يك مدارشكن ميبايست قابليت متوقف نمودن
يكسري از جريانهاي ديگر و گسترده در ولتاژ سيستم نظير جريانهاي
خازني، جريانهاي القايي كوچك و جريانهاي بار الكتريكي را داشته باشد.
بر اين اساس ما موارد ذيل را از يك مدار شكن مدنظر داريم:
·
كاركرد در موقعيت بسته بعنوان يك رسانايي خوب
·
كاركرد در موقعيت باز بعنوان يك عايق خوب بين بخشهاي سيستم
·
تبديل شدن، در يك وهله كوتاه زماني، از حالت بسته به باز
·
عدم بروز اورولتاژها در طي سوئيچينگ
·
قابليت اطمينان در زمان عمليات
قوس الكتريكي، به
استثناي نيمه رساناهاي قدرت، تنها عنصر شناخته شدهاي است كه قابليت
تغيير از حالت رسانايي به حالت نارسانايي، در مدت زمان كوتاهي را دارا
ميباشد. در مدارشكنهاي دراري ولتاژ بالا، قوس الكتريكي بعنوان يك قوس
داراي فشار بالا ميباشد كه در روغن هوا و يا هگزافلورايد سولفور (SF6)
اشتعال مييابد. در مدارشكنهاي داراي ولتاژ متوسط، بصورت غالب، روال
قوس كم فشار داراي اشتعال در خلاء بكار گرفته ميشود تا بدين وسيله
نسبت به قطع جريان اقدام شود. قطع جريان بوسيله خنكسازي پلاسماي قوسي
به گونهاي انجام ميپذيرد كه قوس الكتريكي، كه پس از جداسازي كنتاكت،
بين كنتاكتهاي كليد شكل گرفته است، ناپديد ميگردد. روال خنك سازي يا
اطفاي- قوسي را ميتوان به روشهاي مختلف انجام داد. مدارشكنهاي قدرت
برحسب رساناي اطفا، در محفظه اطفا، كه در آن قوس شكل ميگيرد،
طبقهبندي ميگردند. بدين دليل است كه ما در رابطه با كليدهاي روغني،
هواي- فشرده، SF6 و خلاء صحبت ميكنيم...
در سال 1907،
اولين مدارشكن روغني بوسيله جيال كلمن در ايالات متحده ثبت گرديد. اين
ابزار به سختي چيزي را بيش از يك جفت از اتصالات تشگيل ميداد كه در يك
مخزن پر شده از روغن فرو رفته بود. در حقيقت اين زمان بعنوان زمان شروع
روالهاي تجربي و طراحي اغلب مدارشكنها مطرح شده بود كه از طريق
روالهاي آزمون و خطا در سيستم قدرت انجام ميپذيرفت. در سال 1956، ثبت
اوليه در زمينه مدارشكنهاي
SF6 بوسيله
تي.اي.براون ، اف.جي.لينگال و اي.پي.استورم صورت پذيرفت. در حال
حاضر اكثريت مدارشكنهاي ولتاژ بالا از SF6 بعنوان رسانه اطفا استفاده
ميكنند...
قوس سوئيچينگ
قوس الكتريكي در
يك مدارشكن يك نقش كليدي را در فرآيند وقفه بازي ميكند و از اينرو
معمولا آن را بعنوان قوس سوئيچينگ مينامند. قوس الكتريكي يك كانال
پلاسمايي بين كنتاكتهاي كليد ميباشد كه پس از تخليه گاز در يك رسانه
اطفا تشكيل ميگردد. به هنگاميكه يك جريان در امتداد يك مدارشكن و
كنتاكتهاي آن سير مينمايد، انرژي مغناطيسي ذخيره شده در مقاومتهاي
القايي سيستم قدرت باعث ميشود تا اين جريان بگردش در آيد. دقيقا قبل
از جدا شدن كنتاكت، كنتاكتهاي كليد در سطح بسيار كوچك يكديگر را لمس
نموده و دانسيته جريان بالاي ناشي شده از آن موجب ميشود تا مواد تماس
يافته ذوب شوند. مواد تماسي ذوب شده حقيقتا محترق شده و اين امر موجب
ميشود تا گاز در رسانه محيط اطراف، چه هوا چه گاز يا
SF6 تخليه شود...
مدارشكنهاي روغني
مدارشكنهايي كه در اوايل قرن بيستم ساخته
شدند عمدتا مدارشكنهاي روغني بودند. در آن روزها توان قطع مدارشكنهاي
روغني براي برآورده ساختن سطح اتصال كوتاه مورد نياز در پستهاي انتقال
نيرو كفايت داشت. در حال حاضر، مدارشكنهاي روغني و روغني – كمينه هنوز
نيز در بسياري از بخشهاي دنيا به فعاليت خود ادامه ميدهند اما آنها
ديگر در توسعه مدارشكنهاي جديد بكار گرفته نميشوند...
مدارشكنهاي هواي فشرده
هوا بعنوان عايق
در پستهاي انتقال نيروي بيروني بكار برده ميشود. همچنين براي خطوط
انتقال ولتاژ بالا نيز از هوا استفاده ميشود. علاوه بر اين از هوا
ميتوان بعنوان رسانه اطفا براي قطع جريان استفاده نمود. در فشار
اتمسفري، توان قطع، با اين وجود، تنها محدود به ولتاژ ضعيف و متوسط
ميباشد. براي كاربردهاي ولتاژ متوسط تا
kV50، كليدهاي قطع
اكثرا از نوع كليد قطع هواي فشرده مغناطيسي ميباشند كه در آن قوس
الكتريكي، بوسيله ميدان مغناطيسي بوجود آمده بواسطه جريان خطا، به داخل
يك بخش مجزا جريان مييابد. بدين روش، طول قوس، ولتاژ قوس و سطح ستون
قوس افزايش مييابد. ولتاژ قوس الكتريكي باعث ميشود تا جريان خطا كاهش
يافته و بر اين اساس سطح ستون قوس بزرگتر باعث ارتقاء روال خنك سازي
كانال قوس ميگردد...
مدارشكنهاي
SF6
خصيصههاي
ديالكتريك برتر
SF6 در اوايل 1920 كشف گرديد. البته تا دهه 1940 طول كشيد تا آنكه
اولين توسعه مدارشكنهاشروع شده و همچنين تا سال 1959 طول كشيد تا آنكه
اولين مدارشكن SF6 وارد بازار شود. اين موارد اوليه بعنوان نوادگان
مدارشكنهاي محوري و فشرده هوايي بشمار ميآيند، كه بر اين اساس
كنتاكتها در داخل يك مخزن پر از گاز SF6 قرار گرفته و در طي فرآيند
قطع جريان، قوس الكتريكي بوسيله گاز SF6 فشرده شده، از يك مخزن مجزا،
خنك ميگردد. دماي مايع كننده گاز SF6 وابسته به فشار بوده اما در
محدوده دماي محيط كليد مشخص ميشود. اين بدان معنا است كه مخزن SF6
ميبايست مجهز به يك المان گرم كننده باشد كه تعيين كننده امكان بروز
يك خطاي خارجي براي مدارشكن ميباشد. به هنگاميكه المان گرمايشي كار
نكند، كليد قطع نميتواند عمل نمايد...
مدارشكنهاي خلاء
بين كنتاكتهاي كليد قطع خلاء، يك قوس
الكتريكي خلاء فرآيند قطع را بعهده خواهد داشت. همانگونه كه قبلا در
مبحث معرفي اين فصل در زمينه قوسهاي سوئيچينگ مطرح شد، قوس الكتريكي
خلاء از قوس الكتريكي داراي فشار بالا متفاوت ميباشد، چرا كه قوس
الكتريكي، در خلاء، در غياب يك رسانه اطفا حريق، مشتعل ميشود. رفتار
روالهاي فيزيكي در ستون قوسي يك قوس الكتريكي خلاء را ميبايست بعنوان
يك پديده سطح فلزي، بجاي پديده يك رسانه عايق، مورد شناسايي قرار
داد...
مدلسازي قوس سوئيچينگ
مدلسازي قوس الكتريكي هميشه بعنوان موضوعات
اصلي در تحقيقات مدارشكن مطرح بوده است. مدلهاي قوسي را ميتوان به سه
دسته طبقهبندي نمود:...
تعاملات مدار قوس الكتريكي
قطع جريان مدارشكن
بصورت معمولي در جريان صفر در چارچوب زماني ميكروثانيه محقق ميشود. به
هنگام قطع جريان، چندين فرآيند در يك زمان روي ميدهند. ولتاژ قوس
الكتريكي پس از بدست آوردن يك مقدار ثابت در طي فاصله جريان بالا، تا
حد پيك افزايش مييابد، و سپس با شيب تند
... به صفر افت
مينمايد. اين جريان با توجه به ثابت ... به
صفر رسيده ولي ممكن است بواسطه تاثير ولتاژ قوس الكتريكي به ميزان
اندكي داراي اعوجاج گردد. قوس الكتريكي مقاوم بوده و از اينرو ولتاژ
قوس و جريان در يك وهله زماني بصفر خواهند رسيد. در حول و حوش جريان
صفر، ورودي انرژي در كانال قوس الكتريكي نسبتا پايين ميباشد (در جريان
صفر، حتي هيچگونه ورود انرژي وجود ندارد) و به هنگاميكه طراحي كليد
قطع بگونهاي است كه روال خنك سازي بوسيله رسانه اطفا در حالت حداكثر
خود باشد، جريان ميتوان قطع گردد...
|
