القواطع الكهربائية وأنواعها

في الكهرباء هناك إحتمالية وقوع حوادث مؤسفة قد تؤدي لحدوث أضرار جسيمة في الأرواح والممتلكات، ولتجنب هذه الأخطار بعد اتخاذ تدابير السلامة الوقائية، تستخدم القواطع الكهربائية لمراقبة أي تغير غير طبيعي للجهد والتيار مما يحد من وقوع أي حادث. وفي الماضي كان يستخدم الفيوز، حاليُا يقتصر استخدامه في الجهد المنخفض والدوائر ذات القدرة الصغيرة حيث لا يُتوقع حدوث عمليات فصل متكررة.

وهناك أنواع مختلفة من القواطع الكهربائية يتم تركيبها وفقًا لتصنيف النظام، مثلًا في المنازل يتم استخدام قواطع الدائرة منخفضة الجهد وفي الصناعات والجهود العالية يتم استخدام نوع آخر من قواطع الدائرة. وسنناقش الأنواع المختلفة من قواطع الدائرة وأهميتها بالتفصيل.

ما هو قاطع الدائرة الكهربائية؟

قاطع الدائرة الكهربائية (بالإنجليزية: circuit breaker) هو مفتاح كهربائي يعمل على حماية الدوائر الكهربائية كخطوط النقل والمحركات وكذلك الأجهزة المنزلية من التلف الناتج عن الأعطال الكهربية مثل الاوفرلود والقصر وضربات البرق وتسرب التيار.

ويقوم بالفصل والتشغيل للدائرة أوتوماتيكيا في حالة الأعطال الطارئة، ويستخدم لفصل وتوصيل التيار الكهربائي عن المعدات الكهربية في الظروف الطبيعية عند الحاجة للصيانة أو التركيبات الإضافية.

ماهي وظيفة القاطع الكهربائي؟

وظيفة القاطع الكهربائي الأساسية هي حماية الأجهزة الكهربائية والإنسان من خطر التيار الكهربائي. وذلك عن طريق فصل الدائرة في حالة وجود تيار غير عادي في الدائرة (حمل زائد، قصر الدائرة، أو تسرب تيار). واكتشاف التغير الموجود في الكهرباء والذي يمثل خطرًا على المحيط.

أنواع القواطع الكهربائية

يمكن تصنيف القواطع الكهربائية بحسب مستوى الجهد إلى قواطع الجهد المنخفض، والجهد المتوسط، والجهد العالي.

قواطع الجهد المنخفض

تستخدم هذة القواطع في تطبيقات الجهد المنخفض كالمنازل ومن أهم الأنواع مايلي:

قواطع الدائرة المصغرة MCB

قواطع الدائرة المصغرة(Miniature Circuit Breaker MCB) عبارة عن جهاز يقوم بوصل وفصل الدائرة الكهر بائية يدويًا في ظروف التشغل العادية وفصلها آليا عند حدوث خطأ وتعمل على حماية الأحمال الكهر بائية من التلف الناتج عن تيارات القصر أو الزيادة في الحمل أو غير ها، وتتحمل تيار يصل إلى A125.

الفواطع المقولبة MCCB

القواطع المقولبة (Molded Case Circuit Breakers MCCB) تعمل بنفس طريقة النوع السابق إلا انها تتحمل سعات عالية للتيار تصل إلى A1600 ويمكن تغيير التيار المراد الفصل عنده ليتناسب مع مقدار الحمل.

قاطع التسرب الارضي ELCB

قاطع التسرب الأرضي ( Earth leakage circuit breaker ELCB) يحتوي على طرفين يوصلان مع نظام التأريض ويتحسس مرور التيار المتسرب من الأجهزة عبر الأرضي وبقوم بالفصل.

قواطع السكينة

قاطع السكين الكهربائي عبارة عن قاطع يدوي يتكون من جزئين أحدهما ثابت ويتم توصيله بأطراف مصدر التغذية و الاخر متحرك ويتم توصليه بأطراف الحمل، ويوجد أنواع تستخدم للفصل والوصل وأنواع تستخدم للتبديل بين مصدري تغذية. ويوجد منها أحادي وثنائي وثلاثي ورباعي الاقطاب وبجهود مختلفة.

قواطع الجهد المتوسط والعالي

الغرض الأساسي للقواطع هي فصل التيار عند حدوث أي عطل أو عند الحاجة لاجراء أعمال صيانة، ولكنها تواجه خطر القوس الكهربائي الذي ينشأ عند فصل التيار، ويتم استخدام العديد من الطرق لتجنب هذا الخطر، وبناء على نوع الوسط المستخدم لإخماد القوس يتم تصنيفها لما يلي:

القواطع الزيتية

في هذا النوع من القواطع يتم استخدام بعض الزيوت العازلة (مثل زيت المحولات) كوسيط لإخماد القوس ويمتلك الزيت عازلية أفضل من الهواء. ويتم غمر أقطاب التوصيل المتحركة والثابتة داخل الزيت العازل.

وعندما يحدث فصل للتيار، تكون الأقطاب مغمورة بالزيت، ويحدث القوس في القاطع لحظة فصل الأقطاب، ولكن حدوث القوس وسط الزيت ينتج طاقة حرارية تؤدي لتحلل الزيت وتبخره إلى فقاعات من غاز الهيدروجين. وبزيادة الضغط داخل القاطع تندفع هذه الغازات المحبوسة وتسبب اضطراب في الزيت مما يؤدى إلى إطفاء القوس الكهربائي.

وتتصاعد الغازات الناتجة إلى أعلى الخزان وتخرج من فتحات التهوية، إذا كانت هذه الفتحات مسدودة فقد يحدث انفجار للخزان. ويجب عدم ملأ الخزان بالكامل بالزيت، بل يجب ترك مساحة لهذه الفقاعات.

تجد قواطع دارة الزيت استخدامًا واسعًا في نظام الطاقة. يمكن تصنيفها إلى الأنواع التالية:

قواطع من النوع Bulk Oil Circuit Breaker (BOCB): وتستخدم كمية كبيرة من الزيت.وذلك  لأنه يؤدي وظيفتين أولاً، يطفئ القوس أثناء فتح الأقطاب. وثانيًا، يعزل الأجزاء الموصلة للتيار عن بعضها البعض وعن الخزان المؤرض.

قواطع الدائرة من النوع Minimum Oil Circuit Breaker: وتستخدم كمية قليلة من الزيت. في مثل هذه القواطع، يتم استخدام الزيت فقط من أجل اخماد القوس الكهربائي، ويتم عزل الأجزاء الموصلة للتيار بالهواء أو البورسلين. ونظرًا لقلة كمية الزيت المستخدم فإنه يسهم في الحد من خطورة وقوع الحرائق.وأيضًا أرخص من النوع الأول.

مزايا القواطع الزيتية

1. يمتص الطاقة المتولدة من القوس بتحويل الزيت الى غازات وهذا يساعد على التبريد.
2. يمتلك الزيت شدة عزل عالية.
3. يعمل كعازل بين الأرض والأجزاء الحية.

عيوب القواطع الزيتية

1. قابل للإشتعال وهناك خطر نشوب الحريق.
2. قد يشكل خليطًا متفجرًا مع الهواء.
3. تبقى المواد المتولدة من القوس مثل الكربون في الزيت وتتدهور جودتها مع العمليات المتتالية. هذا يستلزم إجراء فحص دوري واستبدال الزيت.

قواطع الهواء المندفع

يستخدم مع هذا النوع من القواطع ضاغط لدفع الهواء عند حدوث القوس لإخماده. عند فصل نقاط التلامس داخل القاطع تتعرض الفجوة بينهما لمجال كهربي عالي وترتفع درجة الحرارة مما يتسبب في تأين الهواء العازل وحدوث القوس الكهربي. عند ذلك يندفع الهواء المضغوط ويعمل على تبريد القوس وتنخفض درجة القوس الكهربي وتختفي ظاهرة التأين ويتم قطع التيار.

مميزات القواطع الهوائية

1.  لا وجود لخطر الحريق التي يتسبب فيها الزيت.
2. سرعة فصل فائقة.
3. يحتاج إلى صيانة أقل من القاطع الزيتى.  
4. يتم إزالة مخلفات القوس بالكامل بواسطة الهواء المضغوط، بينما تظل في الزيت وتعمل على تدهور عزله مع العمليات المتكررة، وبهذا يتم تجنب تكاليف استبدال الزيت الدورية.
5. يعمل الهواء المضغوط على إعادة شدة العزل بسرعة وتكون الفجوة بين نقاط التلامس صغيرة، هذا يقلل من حجم الجهاز.
6. مناسبة جدًا للظروف التي تتطلب فصل متكرر.

عيوب القواطع الهوائية

1. عند الحاجة لعمليات الفصل المتعددة يجب تواجد ضاغط هوائي ذو سعة كبيرة لإعادة الضغط داحله لقيمته العالية بعد كل عملية تشغيل.
2. احتمالية تسرب الهواء من مواسير التغذية.

القواطع المفرغة من الهواء

في هذا النوع لا يوجد أي وسط مطلقًا فى المنطقة المحيطة بأطراف القاطع الداخلية، وهي مفرغة بالكامل، وبالتالى فلن تحدث شرارة بداخله. فهذا القاطع يتكون من اسطوانة مغلقة تحتوى على أطراف التوصيل المتحركة داخل فراغ، وعند حدوث القوس نتيجة الفصل فإنه سرعان ما يخمد لانعدام الوسط الداعم له كالزيت أو الغاز.

ويتميز هذا النوع بارتفاع عدد مرات الفصل المسموح بها خلال عمر القاطع عند التشغيل العادي، وأيضًا عدد مرات الفصل عند تيار القصر Circuit Short،

مميزات القواطع المفرغة

1. زمن الفصل فى حدود نصف دورة لتيار القصر (Short Circuit).
2. لديها شدة عزل عالية,
3. يمكنها فصل أي تيار خطأ.
4. عدم احتوائها على سوائل قابلة للاشتعال (مثل الزيت) أو على غازات قد يصعب التعامل معها مثل SF₆.
5. خفيفة الوزن، وهادئة لا تصدر ضوضاء.
6. لا تحتاج إلى صيانة.
7. تتطلب طاقة أقل لعملية التحكم.

عيوب هذه القواطع:

قد يتعرض القطبين الثابت و المتحرك للانهيار او التأكل مما يعني استبدال الغرفة بالكامل.

ويكثر استخدام هذا القاطع في محطات الجهد المتوسط.

القواطع المعزولة بغاز الـ SF₆

في هذه القواطع يتم استخدام غاز سادس فلوريد الكبريت (SF₆) كوسيط اخماد للقوس. SF₆ هو غاز كهربائي سالب وله ميل عالي لامتصاص الإلكترونات الحرة.

عند فتح نقاط التلامس في وجود تدفق عالي الضغط لغاز SF₆ ينشأ القوس بين الأقطاب. ويتم جذب الإلكترونات الحرة الموصلة في القوس بسرعة بواسطة الغاز لتكوين أيونات سالبة غير متحركة نسبيًا. يؤدي هذا الفقد في الإلكترونات الموصلة في القوس إلى تكوين قوة عزل كافية لإطفاء القوس.

مزايا قواطع SF₆

نظرًا لخصائص غاز SF₆ الفائقة في اخماد القوس، فإن قواطع الدائرة SF₆ لها العديد من المزايا على القواطع التي تعمل بالزيت أو الهواء، ومنها مايلي:

1. يتم اخماد القوس بوقت قصير جدًا.
2. شدة العازلية لغاز SF₆ تبلغ 2 إلى 3 أضعاف شدة عزل الهواء في الضغط الجوي، فإن هذه القواطع يمكن أن تفصل تيارات أكبر بكثير.
3. يمتاز بالهدوء في التشغيل وعدم وجود ضوضاء.
4. لا يوجد خطر نشوب حريق في مثل هذه القواطع لأن غاز SF₆ غير قابل للإشتعال.
5. قواطع SF₆ تكلفة صيانتها منخفضة ومتطلبات تأسيسها خفيفة وتحتاج لمعدات مساعدة قليلة.
6. نظرًا لأن قواطع SF₆ مغلقة تمامًا ومعزولة عن الهواء الجوي، فهي مناسبة للإستخدام في الأماكن التي يوجد فيها خطر الإنفجار مثل مناجم الفحم.

عيوب قواطع SF₆

1. قواطع SF₆ مكلفة بسبب ارتفاع تكلفة غاز SF₆.
2. يعتبر من الغازات المسببة للإحتباس الحراري و أكثرها ضررًا بالبيئة.

---

المراجع

• Principles of Power System (V.K. Mehta & Rohit Mehta)
• هندسة القوى الكهربائية، أ.د محمود جيلاني.