دژنکتور چیست ؟
«دژنکتور» (به فرانسوی Disjoncteur) یا «کلید قدرت» یا «مدارشکن» (به انگلیسی Circuit Breaker) تجهیزی در سیستم قدرت الکتریکی است که برای قطع و وصل خطوط فشارقوی انتقال، فوق توزیع و توزیع الکتریکی و همچنین ترانسفورماتورهای قدرت، ژنراتورها و سایر تجهیزات فشارقوی به کار می‌رود.
مشخصات دژنکتور
دژنکتور، که به بریکر نیز معروف است، تنها یک وسیله ارتباطی بین ژنراتورها و ترانسفورماتورها، بارها و خطوط انتقال انرژی و یا جداکننده آن‌ها از یک‌دیگر نیست، بلکه از تجهیزات و سیستم‌های الکتریکی در برابر اضافه‌بار و جریان اتصال کوتاه نیز حفاظت می‌کند. هنگام بروز عیب در تجهیزات فشار قوی باید قسمت معیوب فوراً به وسیله کلید قدرت و به طور خودکار از شبکه جدا و از ادامه و توسعه عیب جلوگیری شود.
دژنکتورها در حالت‌های مختلف، شرایط و مشخصات معینی دارند که در اینجا آن‌ها را بیان می‌کنیم:
- دژنکتورها در وضعیت بسته در برابر عبور جریان بار و حتی جریان شدید اتصال کوتاه از خود مقاومت قابل ملاحظه نشان نمی‌دهند و نیز در برابر اثرات حرارتی و دینامیکی این جریان‌ها در یک زمان طولانی پایداری قابل توجهی دارند.
- در وضعیت باز، دژنکتورها می‌توانند اختلاف ولتاژ الکتریکی موجود بین دو کنتاکت باز را به طور کاملاً مطمئن تحمل کنند.
- در شرایطی که همه بخش‌های کلید هم‌ولتاژ شبکه باشند، هنگام قطع یا در حالت وصل به طور قابل اطمینان نسبت به زمین و ترمینال‌ها و تیغه‌های دیگر عایق هستند.
- بریکرها قادرند به بستن مدار الکتریکی در زیر ولتاژ نامی هستند (آن‌ها معمولاً برای حداکثر ولتاژ شبکه طراحی می‌شوند).
- دژنکتورها می‌توانند مدار الکتریکی را هنگام عبور جریان باز کنند.
- مدارشکن‌ها سرعت عملکرد بالایی در قطع و وصل مدار دارند.
- دژنکتورها محدودیت جریانی ندارند و برای بزرگ‌ترین جریان‌های اتصال کوتاه ساخته می‌شوند.
یکی از مشخصات مهم دژنکتورها زمان تأخیر در قطع کلید است. این زمان فاصله بین لحظه فرمان قطع توسط رله مربوطه و لحظه آزاد کردن ضامن قطع کلید تا خاموش شدن کامل جرقه است.
اجزای دژنکتور
با وجود انواع مختلف دژنکتورها، این کلیدها دارای اجزا و مکانیسم‌های عملکرد مشابهی هستند:
- مکانیسم عملکرد قطع و وصل
- مکانیسم خاموش کردن جرقه در محفظه جرقه
- کنتاکت‌های اصلی (کنتاکت‌های ساده و متحرک)
- سیم‌پیچ‌های قطع و وصل
- کنتاکت‌های فرعی
- مدارهای کنترل
انواع دژنکتور
دژنکتورها را می‌توان از جنبه‌های مختلف مانند محل نصب و مکانیسم خاموش کردن جرقه به انواع مختلفی دسته‌بندی کرد.
انواع دژنکتور از نظر محل نصب
دژنکتورها از نظر محل نصب به دو دسته دژنکتورهای فضای آزاد و دژنکتورهای تأسیسات داخلی تقسیم‌بندی می‌شوند.
انواع دژنکتور از نظر مکانیسم خاموش کردن جرقه
دژنکتورها بر اساس مکانیسم خاموش کردن جرقه به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:
- دژنکتور روغنی (Bulk Oil Circuit Breaker)
- دژنکتور کم‌روغن یا نیمه‌روغنی (Minimum Oil Circuit Breaker)
- دژنکتور گازی SF6 یا اس اف سیکس (Sulphur-Hexafluoride Circuit Breaker)
- دژنکتور با محفظه خلأ (Vacuum Circuit Breaker)
- دژنکتور هوایی (Air Circuit Breaker)
- دژنکتور هوای فشرده (Air Blast Circuit Breaker)
دژنکتور روغنی
در این نوع دژنکتورها، روغن هم به عنوان خاموش‌کننده قوس و هم به عنوان ماده عایق به کار می‌رود. جرقه سبب تجزیه روغن دی‌الکتریک می‌شود و گازهای ناشی از این تجزیه باعث افزایش فشار درون محفظه‌ای خواهد شد که قطع‌کننده در آن نصب می‌شود. گازها از طریق سوراخ‌های درون محفظه هدایت می‌شوند و جرقه درون سوراخ‌ها کشیده شده و توسط جریان گاز خنک می‌شود.
نحوه خاموش کردن جرقه بدین صورت است که هنگامی که دژنکتور یک مدار دارای جریان یا اصطلاحاً گرم را قطع می‌کند، روغن به دلیل گرمای شدید تجزیه شده و گازهایی مانند هیدروژن (H2) به مقدار 70 درصد، استیلن (C2H2) به مقدار 20 درصد و متیلن (CH2) به مقدار 10 درصد و نیز مقداری کربن از روغن متصاعد می‌شود. از میان گازهای مذکور هیدوژن از قدرت دی‌الکتریک خوبی برای از بین بردن قوس الکتریکی برخوردار است. پس از قطع جرقه، فضای کنتاکت‌ها توسط روغن دی الکتریک تازه پر و قدرت عایقی کافی بین کنتاکت‌ها تأمین می‌شود.
در این نوع کلیدها عموماً یک کنتاکت متحرک و دو کنتاکت ثابت وجود دارد و فازها از سطح ولتاژ ۷۲٫۵ کیلوولت به بالا، در سه محفظه جداگانه روغن قرار دارند، در حالی که در سطح ولتاژ 36 کیلوولت و پایین‌تر در یک محفظه قرار می‌گیرند.
روغن در دژنکتورهای روغنی دارای مزایای زیر است:
- عایق کردن کنتاکت‌ها از بدنه مخزن روغن و نیز از زمین
- آماده کردن یک واسطه عایقی در میان کنتاکت‌ها بعد از خاموش شدن جرقه
- تولید هیدروژن در مدت به وجود آمدن قوس
معایب کلیدهای روغنی نیز به شرح زیر است:
- کربنیزه شدن و ایجاد رسوبات در داخل دژنکتور به دلیل وجود روغن
- ترکیب هوا و هیدروژن و ایجاد انفجار و آتش‌سوزی‌های خطرناک
- نشت از مخزن و امکان آتشسوزی و انفجار (رفع این محدودیت نیاز به یک مخزن روغن بزرگ دارد که البته در ولتاژ و جریان‌های خیلی زیاد امکان ساخت مخزن روغن متناسب با آن جریان و ولتاژ وجود ندارد)
- اشغال حجم بسیار زیاد به ویژه در ولتاژهای بالا
- نیاز به نگهداری و بازدید مرتب از کنتاکت‌ها و روغن
- مناسب نبودن برای کلید‌زنی‌های مکرر
عوامل خاموش شدن جرقه را می‌توان طولانی شدن قوس (ناشی از عملکرد بازوی مکانیکی) و پس از آن خنک شدن جرقه دانست. با افزایش طول جرقه، سطح تماس جرقه با روغن بیشتر شده، در نتیجه انتقال حرارت روغن بیشتر و قوس خنک‌تر می‌شود.
تصویر ۱: دژنکتور روغنی
دژنکتور کم‌روغن
همان‌گونه که گفته شد افزایش ولتاژ سیستم باعث می‌شود کلیدهای روغنی به مقادیر زیاد روغن نارسانا نیاز داشته باشند و این باعث می‌شود اندازه این دژنکتورها بزرگ‌تر و وزن آن‌ها سنگین‌تر شود که خود افزایش هزینه را در پی خواهد داشت. این مسئله و نیز پیشرفت‌هایی که در تکنیک سرامیک‌سازی انجام گرفته، باعث شده وظیفه روغن به عنوان یک نارسانا در کلیدهای روغنی به قطعات چینی محول شود و تنها مقدار کمی روغن برای خنک کردن قوس در این تجهیزات به کار رود. کلیدهای کم‌روغن امروزه تا ولتاژ 36 کیلوولت و میزان خطای متناسب با حداکثر ولتاژ در دسترس هستند.
تصویر ۲: کلیدهای کم‌روغن
فرایند قطع‌کنندگی قوس الکتریکی دژنکتورهای کم‌روغن منشأ ترمودینامیکی درونی دارد. در حین عملیات قطع جریان، یک قوس در روغن بین کنتاکت متحرک و کنتاکت‌های ثابت ایجاد می‌شود. قوس به طور عمودی در محفظه احتراق امتداد یافته و اندازه فاصله ایجادشده برای تحمل ولتاژ کنتاکت‌ها کافی است. افزایش گاز درونی ناشی از تجزیه و تبخیر روغن توسط قوس (قوس الکتریکی) یک حرکت سریع خنک‌کننده را دور قوس به وجود می‌آورد که این امر خود باعث خنک‌کنندگی و سرمایش سریع در کل آن قسمت می‌شود. بازیابی دی‌الکتریکی به اندازه‌ای سریع است که از محدود کردن قوس بعد از جریان صفر جلوگیری می‌کند.
مدارشکن‌های کم‌روغن با در نظر گرفتن عیوب کلیدهای روغنی طراحی شده‌اند و نسبت به آن‌ها مزایای زیر را دارند:
- کاهش خطرات آتشسوزی
- کاهش وزن و حجم روغن و در نتیجه کاهش حجم کلید
- افزایش قابلیت اطمینان
- کاهش هزینه
از معایب کلیدهای کم‌روغن نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- احتمال آتشسوزی
- نامناسب بودن جهت وصل مجدد خودکار
- مشکل نصب ترانسفورماتور جریان روی بوشینگ
- نیازمند بودن به تعداد محفظه‌های قطع سریع بیشتر در ولتاژهای بالا و در نتیجه هزینه بیشتر
- احتمال جذب رطوبت
- نشت روغن
- نداشتن خاصیت عایقی مناسب
- خرابی کنتاکت‌ها در قطع و وصل‌های مکرر
دژنکتور هوای فشرده
با پیشرفت صنعت برق و مشکلات موجود در دژنکتورهای روغنی وجود دژنکتورهایی با عملکرد بهتر احساس می‌شد. به همین دلیل کلیدهای هوای فشرده طراحی شد و در سطح ولتاژهای بالاتر از 11 کیلوولت مورد بهره‌برداری قرار گرفت. تصاویر زیر وضعیت مکانیسم دژنکتور هوای فشرده را در سه وضعیت بسته، در حال قطع و باز نشان می‌دهد.
تصویر ۳: مکانیسم کلید هوای فشرده در سه حالت: (الف) بسته؛ (ب) در حال قطع و (ج) باز
مزایای دژنکتور هوای فشرده به شرح زیر است:
- تعمیرات در هر ده سال یک‌بار
- عدم خوردگی، عدم نیاز به تعویض کنتاکت‌های متحرک و ثابت
- مناسب جهت وصل مجدد خودکار
- مناسب جهت بارهای نیازمند قطع و وصل زیاد
معایب دژنکتورهای هوای فشرده نیز به شرح زیر است:
- نیاز به مراقبت ویژه به علت نیاز به تجهیزات هوای فشرده برای خاموش‌سازی و افزایش حجم و هزینه
- قطع و وصل کلید با سر و صدای زیاد
- عدم عملکرد صحیح شیرهای اطمینان روی سیلندر هوا
- آسیب‌دیدگی و نشتی واشرها در طولانی مدت و در نتیجه کارکرد بیشتر کمپرسور هوا
دژنکتور گازی SF6
گاز SF6، یک گاز خنثی است که خاصیت خاموش‌کنندگی بسیار بالایی به ویژه در فشار زیاد دارد. این گاز بی‌رنگ، بی‌بو، غیرقابل‌اشتعال و غیرسمی است.
شکل زیر چند نمونه کلید گازی را نشان می‌دهد.
تصویر ۴: دژنکتور گازی SF6
برخی از مزایای دژنکتور گاز SF6 به شرح زیر است:
- عدم وجود خطر آتشسوزی
- فاصله‌های الکتریکی پایین
- کوچک بودن زمان قوس و عدم فرسایش کنتاکت‌ها
- کم‌صدا بودن
- مصرف گاز پایین حتی در زمان‌های بسیار طولانی
- نیاز حداقل به تعمیرات
از معایب دژنکتور گاز SF6 نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- امکان نشت گاز از محفظه قطع
- نیاز به نگهداری ویژه
- عملکرد غیرصحیح با نفوذ آب همانند کلیدهای روغنی
دژنکتور محفظه خلأ
این دژنکتورها از سه کپسول خلأ تشکیل شده‌اند که هر فاز به صورت جداگانه درون آن‌ها قرار دارد.
تصویر ۵: دژنکتور محفظه خلأ
مزایای دژنکتور خلأ به شرح زیر است:
- حداقل نیاز به تعمیرات
- مقاوم در برابر صاعقه و خطاهای ناشی از آن
- نیاز به انرژی کمتر به دلیل فاصله کم کنتاکت‌ها
- فرسایش کمتر کنتاکت‌ها و طول عمر بیشتر آن‌ها
- محفظه قطع کاملاً آب‌بندی‌شده و عدم نیاز به بازدید دوره‌ای
- قابلیت استفاده در شرایط دمایی بسیار بالا و بسیار پایین
- مقاومت در برابر زلزله
از معایب کلید خلأ نیز می‌توان موارد زیر را نام برد:
- امکان وجود جریان‌های نشتی در محفظه قطع
- عدم پیشرفت فناوری آن در ولتاژهای بالا
