شرح الـ Switchgear ومكوناتها وأنواعها

تعد الكهرباء مصدر بالغ الأهمية في حياتنا اليومية ويجب حماية نظام الطاقة من أي خلل أثناء ظروف الأعطال، ولضمان أقصى استمرارية للتيار يجب توفير الوسائل اللازمة لتشغيل أو فصل المولدات وخطوط النقل والموزعات والمعدات الأخرى في كلٍ من الظروف العادية وغير العادية. يتم تحقيق ذلك عن طريق المفاتيح الكهربائية (Switchgear). تتكون مجموعة المفاتيح بشكل أساسي من أجهزة تحكم وحماية مثل المفاتيح والمنصهرات(fuse) وقواطع الدائرة ومرحلات الحماية، وفي هذا المقال شرح ال Switchgear.

ما هو الـ Switchgear

ال Switchgear هي مجموعة أجهزة تعمل على تنظيم ومراقبة وحماية المعدات والدوائر الكهربائية. تقوم الـ Switchgear بتنظيم وحماية وعزل نظام الطاقة مع مجموعة متنوعة من أدوات التحكم والوقاية الموجودة في حاوية معدنية. وهي نظام حيوي وهام في الشبكات الكهربائية التي تعاني من أعطال كهربائية أو تلك التي تحتاج إلى فصل المعدات بانتظام للصيانة، تحتوي مجموعة الـ Switchgear على منصهرات Fuse ومفاتيح Switch وقواطع عزل، وقواطع كهربائية CB وهي المكون الأكثر شيوعًا وأهمية في مجموعة الـ Switchgear.

مكونات ال Switchgear

تشمل المفاتيح الكهربائية (Switchgear) مجموعة واسعة من المعدات المعنية بتبديل وقطع التيار في ظل الظروف العادية وغير العادية. وتشمل المفاتيح Switchs، وقواطع العزل  (isolators) والفيوز (المصهرات)وريليهات الحماية relays وقواطع الدائرة الكهربائية ومحولات التيار ومحولات الجهد.

المفاتيح Switches. المفتاح هو جهاز يستخدم لفتح أو إغلاق دائرة كهربائية. يمكن استخدامه في ظل ظروف التحميل الكامل أو عدم التحميل ولكن لا يمكنه فصل تيارات الأعطال. ويمكن تصنيف المفاتيح إلى مفاتيح هوائية ومفاتيح زيتية.

المصهرات Fuses. المصهر هو قطعة قصيرة من الأسلاك أو شريط معدني رفيع يذوب عندما يتدفق التيار الزائد خلاله لفترة كافية ويتم توصيله على التوالي مع الدائرة المراد حمايتها.

قواطع الدائرة. قاطع الدائرة هو جهاز يمكنه فتح أو إغلاق دائرة تحت جميع الظروف، عدم التحميل، التحميل الكامل وفي حالة الأعطال.

المرحل Relays: المرحل هو جهاز يكتشف العطل ويزود القاطع بالمعلومات ليقوم القاطع بفصل الدائرة.

محولات القياس: وتشمل محولات التيار ومحولات الجهد وتقوم بخفض قيم التيار والجهد وقياسها وارسالها إلى مرحلات الحماية.

وظيفة ال Switchgear

توجد مجموعة المفاتيح بشكل شائع في جميع أنظمة نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية وكذلك في المنشآت التجارية أو الصناعية متوسطة إلى كبيرة الحجم. يتم تحديد معايير ال Switchgear بواسطة IEEE في أمريكا الشمالية و IEC في أوروبا وأجزاء أخرى من العالم. وفيما يلي أهم وظائف السويتش جير Switchgear

1. حماية الآلات والمعدات الكهربائية من تيارات القصر Short Circuit.
2. تسمح بفصل المعدات من المصدر الرئيسي لإجراء الصيانة الدورية.
3. يمكنها فتح وغلق القواطع الكهربائية في ظروف التشغيل الطبيعية وفي حالات الأعطال.
4. زيادة موثوقية الشبكة الكهربائية بربط عدة مصادر مع الحمل.
5. في حالة التشغيل الطبيعية يمكن التحكم بها يدويًا للتأكد من سلامة العامل.
6. في حالة الأعطال تعمل بشكل آلي وتحدد مكان العطل وتعزله عن مصدر التغذية.

كيف تعمل الـ Switchgear؟

في حالة التشغيل الطبيعية تقوم ال Switchgear بتوزيع الطاقة على أقسام مختلفة من الأحمال الكهربائية وعند الحاجة لفصل أي جزء أو معدة كهربائية مثل المولد أو المحول الكهربائي أو خطوط النقل تقوم ال Switchgear بفصلها بسهولة وبأمان.

أثناء حدوث عطل مثل قصر كهربائي في أي جزء من الشبكة الكهربية تكون المعدات والأجهزة معرضة لتيار عالي قد يؤدي إلى تلفها وقطع التغذية عن الأحمال المتصلة بالكامل، ولكن الSwitchgear تعمل على اكتشاف مكان العطل وفصل الجزء الموجود فيه العطل وحماية المعدات من التلف وضمان استمرار تدفق التيار الكهربائي في الأجزاء السليمة من الشبكة.

أنواع ال Switchgear

يتم تصنيف السويتش جير Switchgear بحسب جهد تشغيلها إلى ما يلي

مفاتيح الجهد العالي HV Switchgear

نظام الطاقة الذي يزيد قيمة الجهد فيه عن 36 كيلو فولت يسمى بنظام الجهد العالي (HV or High Voltage)، وتسمى ال Switchgear التي تعمل عند هذا الجهد بمفاتيح الجهد العالي (HV Switchgear)، نظرًا لأن الجهد مرتفع يتولد قوس كهربائي arcing أثناء عملية الفصل والتوصيل للقواطع. لذلك يتم أخذ عناية كبيرة أثناء تصنيع ال Switchgear ذات الجهد العالي بحيث تقوم بإخماد القوس أثناء عمليات الفصل والتوصيل. ويتكون من مرحلات الحماية ومحولات القياس، ويعتبر قاطع الدائرة الكهربائية عالية الجهد الجزء الرئيسي من ال HV Switchgear،

مفاتيح الجهد المتوسط MV Switchgear

المفاتيح الكهربائية التي تعمل عند جهد قيمته من3KV إلى 36KV تُسمى مفاتيح الجهد المتوسط MV Switchgear وتشمل أنواع مختلفة مثل metal enclosure، و metal-enclosed داخلية وخارجية. يتم استخدام هذه المعدات في المحطات الفرعية وتتكون من معدات مختلفة مثل القواطع الزيتية bulk oil CB، والقواطع المعزولة بغاز SF6، والقواطع الفراغية، والمعزولة بالهواء. ويكون الوسط العازل الرئيسي لهذه القواطع هو الزيت أو غاز SF6. الشرط الرئيسي لهذا النوع من الـ Switchgear هو قطع التيار في حالة الأعطال بغض النظر عن نوع CB المستخدم في نظام مفاتيح الجهد المتوسط.

مفاتيح الجهد المنخفض LV Switchgear

تُسمى الـ Switchgear التي قدرتها حتى 1 كيلو فولت عادةً مفاتيح الجهد المنخفض (LV Switchgear). وتتكون ال LV Switchgear من قاطع التسرب الأرضي، ومصهرات HRC ، وعوازل التفريغ الكهربائية، وقواطع MCCB، وقواطع الدائرة المصغرة (MCB).

المتطلبات الأساسية للـ Switchgear

(1) الموثوقية : تم تركيب ال switchgear في نظام الطاقة لتحسين الموثوقية. وعند حدوث عطل في أي جزء من نظام الطاقة يجب أن تعمل ال switchgear على فصل الجزء المعطل من الدائرة وعزله عن الجزء السليم.

(2) الانتقائية: عند حدوث خطأ في أي جزء من الشبكة الكهربائية، يجب أن تكون ال switchgear قادرة على تحديد مكان العطل وعزله دون التأثير على بقية الأجزاء السليمة لضمان استمرارية تدفق الكهرباء.

(3) سرعة الاستجابة: عند حدوث عطل في أي جزء من نظام الطاقة، يجب أن تعمل مجموعة ال switchgear بسرعة حتى لا يحدث أي ضرر للمولدات والمحولات والمعدات الأخرى بسبب تيارات القصر. إذا لم يتم فصل الخطأ بسرعة فمن المحتمل أن ينتشر إلى أجزاء سليمة مما يهدد بخطر فصل النظام بالكامل.

(4) أن تكون مزودة بوسيلة للتحكم اليدوي: يجب أن تحتوي ال switchgear على إمكانية التحكم اليدوي للفصل والتوصيل. في حالة فشل التحكم الكهربائي أو الإلكتروني، يمكن تنفيذ العملية الضرورية يدويًا.

(5)أن تكون مزودة بوسائل قياس. يجب أن تتوفر فيها أمكانية القياس. قد تكون على شكل أجهزة أميتر أو فولتميتر موجودة في الوحدة نفسها، أو محولات التيار والجهد التي تتصل باللوحة الرئيسية main switchboard أو لوحة أجهزة قياس منفصلة.