کلید قدرت SF6 — ساختار و نحوه عملکرد

در این آموزش، مطالبی را درباره کلید قدرت SF6 بیان می‌کنیم.

در کلید قدرت SF6 از گاز هگزا فلوراید گوگرد به عنوان محیط خاموش‌کننده قوس الکتریکی استفاده می‌شود. گاز هگزا فلوراید گوگرد (SF6) یک گاز الکترونگاتیور است و تمایل زیادی به جذب الکترون‌های آزاد دارد. کنتاکت‌های کلید در گاز هگزا فلوراید گوگرد (SF6) با فشار بالا باز می‌شوند و یک قوس بین آن‌ها ایجاد می‌شود. این گاز الکترون‌های آزاد رسانا را در قوس می‌گیرد و یون‌های منفی نسبتاً بی‌حرکت را تشکیل می‌دهد. این از دست دادن الکترون‌های رسانا در قوس به سرعت باعث ایجاد قدرت عایقی کافی برای خاموش شدن قوس می‌شود.

در مقایسه با سایر انواع کلیدهای قدرت، کلید قدرت SF6 در توان بالا و ولتاژ بالا بسیار کارآمد. مدارشکن‌های SF6 در پست‌های فرعی برای تمام ولتاژهای 144 تا 765 کیلوولت یا حتی بالاتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. جریان‌های پیوسته تا 8000 آمپر و قطع متقارن تا 63 کیلوآمپر در 765 کیلوولت و 80 کیلوآمپر در 230 کیلوولت می‌رسند.

ساخت کلید قدرت SF6

کلید قدرت SF6 از دو قسمت اصلی تشکیل شده است:

• واحد قطع‌کننده
• سیستم گاز

واحد قطع‌کننده

واحد قطع‌کننده مدارشکن SF6 شامل کنتاکت‌های ثابت و متحرک است که در یک محفظه محصور شده‌اند. این محفظه را محفظه قطع قوس می‌نامند که حاوی گاز SF6 است. محفظه به مخزن گاز گوگرد هگزافلوراید (SF6) متصل است. یک ساز و کار سوپاپی وجود دارد که موجب می‌شود گاز به محفظه قطع قوس برسد. هنگامی که کنتاکت‌های کلید باز می‌شود، مکانیسم سوپاپ اجازه می‌دهد گاز هگزا فلوراید گوگرد با فشار بالا از مخزن به سمت محفظه قطع قوس جریان یابد.

شکل ۱: ساختار کلید قدرت SF6

کنتاکت ثابت یک کنتاکت توخالی استوانه‌ای است که جریان را حمل می‌کند و دارای یک جرقه‌گیر شاخکی است. کنتاکت متحرک نیز یک پیستون توخالی با سوراخ‌های مستطیلی در کناره‌ها است.

سوراخ‌ها به گاز هگزا فلوراید گوگرد (SF6) اجازه می‌دهند که پس از جریان در امتداد و در طول قوس از طریق آن‌ها خارج شود. نوک کنتاکت ثابت، کنتاکت متحرک و جرقه‌گیر شاخکی با مواد مقاوم در برابر قوس از جنس مس و تنگستن تشکیل شده است. از آنجا که گاز SF6 پرهزینه است، پس از هر بار عملکرد کلید، با استفاده از سیستم کمکی مناسب، مجدداً ترمیم و بازیابی می‌شود.

سیستم گاز

از آنجا که فشار گاز بسیار زیاد است، باید مراقبت‌های زیادی انجام شود تا از نشت آن در مفاصل جلوگیری شود. سیستم‌هایی با فشار کم و فشار زیاد مجهز به هشدار فشار کم و مجموعه‌ای از کلیدها هستند که در لحظه کاهش فشار گاز به زیر مقدار مشخصی هشدار می‌دهند، زیرا در غیر این‌ صورت قدرت دی‌الکتریک و توانایی خاموش شدن قوس توسط دستگاه کاهش می‌یابد.

در صورت رسیدن به حد خطر، تجهیزات ایمنی کلید قدرت را بی‌حرکت می‌کنند. تجهیزات ایمنی مراقبت می‌کنند که خطا در مدار کنترل به کمپرسور اجازه ندهد اضافه‌فشار را در مخزن با فشار بالا ایجاد کند یا در صورت نشت، عمده گاز را به جو ادامه دهد.

گاز در محفظه فشار بالا در 16 اتمسفر ذخیره می‌شود، در حالی که فشار گاز در طرف کم‌فشار 3 اتمسفر است. درجه حرارت 20 درجه سانتی‌گراد است تا از مایع شدن گاز در محفظه فشار بالا در دمای پایین جلوگیری شود. یک گرم‌کن در محفظه فشار بالا نصب شده است. هنگامی که دمای محیط به زیر 16 درجه سانتی‌گراد می‌رسد، ترموستات روی سوئیچ تنظیم می‌شود.

 

اصول عملکرد کلید قدرت SF6

عملکرد یک کلید قدرت SF6 مشابه عملکرد یک کلید قدرت معمولی است که در آموزش‌های قبلی آن‌ها را معرفی کردیم. در حالت بسته بودن کلید قدرت، کنتاکت‌ها با گاز گوگرد هگزا فلوراید (SF6) در فشار حدود 2٫8 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع محصور می‌شوند. هنگامی که مدارشکن عمل می‌کند، کنتاکت متحرک جدا شده و یک قوس بین کنتاکت‌ها زده می‌شود.

حرکت کنتاکت متحرک با باز شدن سوپاپ هماهنگ می‌شود. این سوپاپ به حرکت گاز هگزا فلوراید گوگرد با فشار 14 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع از مخزن به محفظه قطع قوس می‌انجامد.

جریان فشار بالای گاز SF6 به سرعت الکترون‌های آزاد موجود در مسیر قوس را جذب می‌کند و یون‌های منفی بی‌حرکت را تشکیل می‌دهد که به عنوان حامل بار بی‌اثر هستند.

نتیجه این است که محیط بین کنتاکت‌ها به سرعت قدرت دی‌الکتریک بالایی ایجاد می‌کند و باعث از بین بردن قوس می‌شود. پس از عملکرد مدارشکن (یعنی پس از خاموش شدن قوس در مدارشکن)، سوپاپ با عملکرد مجموعه‌ای از فنرها بسته می‌شود.

شکل ۲: ساختار و عملکرد کلید قدرت SF6 (برای مشاهده تصویر در ابعاد بزرگتر روی آن کلیک کنید)

انواع کلید قدرت SF6

کلید قدرت SF6 توسط چندین تولید‌کننده و در چندین طرح به بازار عرضه شده است. انواع قطع کننده مدار SF6 را می‌توان به دو دسته زیر تقسیم کرد:

• کلید قدرت دو فشار SF6
• کلید قدرت پافر تک‌فشار SF6

در کلید قدرت SF6 از نوع دو فشاری، گاز سیستم فشار بالا از طریق یک نازل در فرایند خاموش شدن قوس به سیستم فشار پایین رها می‌شود. این طرح منسوخ شده است.

سیستم دو فشاری بر اساس طرح انفجار هوا کار می‌کرد و برای ایجاد سیستم حلقه‌بسته برای گازهای خروجی اصلاح شد. پس از خاموش شدن قوس، گازهای موجود در مخزن فشار کم فیلتر و فشرده شده و سپس در مخزن فشار بالا برای استفاده بیشتر ذخیره می‌شوند. گرم‌کن‌ها نیز برای اطمینان از تبدیل گاز به مایع در دماهای پایین نصب شده‌اند، که باعث می‌شوند محیط یک قطع‌کننده غیرقابل استفاده شود.

شکل ۳: کلید قدرت SF6 دوفشاری

در کلید قدرت SF6 تک‌فشار، گاز SF6 توسط سیستم سیلندر متحرک فشرده شده و در حین خاموش شدن قوس از طریق نازل آزاد می‌شود. این طرح در طیف وسیعی از ولتاژها از 13٫6 کیلوولت تا 760 کیلوولت محبوبیت بیشتری دارد.

شکل ۴: کلید قدرت SF6 تک‌فشار

طرح‌های کلید قدرت SF6 برای اولین بار در سال 1957 توسط وستینگهاوس تولید شد. در طرح‌های اولیه از یک سیستم فشار دوگانه استفاده می‌شد که در دهه 1970 با طراحی نوع پافر تک‌فشار جایگزین شد.

شکل ۵: اصلول عملکرد کلید قدرت SF6 پافر

طراحی‌های کلید قدرت SF6 (مخزن زنده و مخزن مرده)

در هر دو نوع دو فشار و تک‌فشار، کلید ابزار (سوئیچگیر) SF6 از نوع طراحی مخزن مرده یا طراحی مخزن زنده است.

طراحی مخزن مرده برای تأسیسات بیرونی و مخزن زنده (یا طراحی مدولار) برای تأسیسات داخلی است. مخازن کلید قدرت به طور فزاینده‌ای در پست‌های عایق SF6 برای تأسیسات داخلی یا خارجی ادغام می‌شوند.

کلید قدرت SF6 در طرح‌های زیر موجود است:

• کلید قدرت مخزن زنده
• کلید قدرت مخزن مرده
• طراحی مخزن زمین‌شده

مخزن زنده به این معنی است که قطع در محوطه‌ای که در خط پتانسیل است رخ می‌دهد. چنین کلید قدرتی دارای یک محفظه قطع‌کننده است که روی عایق‌ها نصب شده است و در خط پتانسیل قرار دارد. یک مدارشکن با چنین طراحی مدولار می‌تواند به صورت سری به هم متصل شود تا در سطوح ولتاژ بالاتر کار کند.

شکل ۶: کلید قدرت مخزن زنده و مخزن مرده

مخزن مرده به این معنی است که قطع در یک محفظه زمینی رخ می‌دهد. ترانسفورماتورهای جریان در دو طرف قطع (یعنی کنتاکت‌های مدارشکن) قرار دارند. در چنین مدارشکن‌هایی تعمیر و نگهداری قطع‌کننده در سطح زمین صورت می‌گیرد. مقاومت لرزه‌ای مدارشکن مخزن مرده بهتر از قطع‌کننده‌های مدار با طراحی مخزن زنده است.

با این حال، آن‌ها به گاز عایق بیشتری نیاز دارند تا بتوانند مقدار مناسب عایق بین قطع‌کننده و محفظه مخزن زمین را تأمین کنند. مخزن مدولار مدارشکن ویژه برای ادغام سیستم‌های پست عایق SF6 توسعه یافته است.

مخزن متصل به زمین به این معنی است که قطع‌کننده در محوطه‌ای رخ می‌دهد که تا حدی در پتانسیل خط و تا حدی در پتانسیل زمین است. تکامل طراحی مدارشکن مخزن پایه نتیجه نصب یک مخزن مدارشکن مخزن زنده در طراحی کلید قدرت مخزن مرده است.

خواص گاز SF6

ویژگی‌های مهم کلید قدرت SF6 در ادامه آورده شده‌اند.

میزان سمی بودن

گاز SF6 در حالت خالص بی‌بو، بی‌رنگ، بی‌مزه و غیرسمی است. با این حال، با حذف اکسیژن باعث خفگی شود. اگر میزان اکسیژن طبیعی هوا از 21 درصد به کمتر از 13 درصد کاهش یابد، خفگی ناگهانی می‌تواند رخ دهد.

قدرت دی‌الکتریک

گاز SF6 دارای قدرت دی‌الکتریک حدود سه برابر هوا در فشار یک اتمسفر برای فاصله الکترودهای مشخص است. با افزایش فشار، قدرت دی‌الکتریک افزایش می‌یابد. در اتمسفر ۳، قدرت دی‌الکتریک تقریباً معادل روغن ترانسفورماتور است.

هدایت حرارتی

رسانایی حرارتی SF6 کمتر از هوا است، اما قابلیت انتقال حرارت کلی آن، به ویژه هنگامی که همرفت در نظر گرفته می‌شود، بسیار عالی است و مشابه گازهایی مانند هیدروژن و هلیوم و بالاتر از هوا است.

در دماهای بالا، منحنی رسانایی حرارتی SF6 یکی از ویژگی‌های استثنایی گاز را آشکار می‌کند، که باعث می‌شود از آن برای خاموش کردن قوس‌ها با انتقال حرارتی استفاده شود.

خاموش کردن قوس

گاز SF6 تقریباً 100 برابر مؤثرتر از هوا در خاموش کردن قوس مجعول است. SF6 همچنین دارای ظرفیت حرارتی بالایی است که می‌تواند انرژی قوس را بدون افزایش زیاد دما جذب کند.

خواص الکتریکی

خواص دی الکتریک عالی SF6 به دلیل ویژگی الکترونگاتیوی مولکول‌های آن است. این گاز گرایش شدیدی برای گرفتن الکترون‌های آزاد که یون‌های سنگین را با تحرک کم تشکیل می‌دهند، ایجاد می‌کند که توسعه بهمن الکترون را بسیار دشوار می‌کند.

به دلیل توانایی خاموش‌کنندگی قوس SF6، کرونا و قوس در SF6 تا زمانی که از سطح ولتاژ شروع کرونا و قوس در هوا عبور نکند، رخ نمی‌دهد. SF6 در معرض پدیده کرونا مداوم به آرامی تجزیه می‌شود.

 

خواص شیمیایی

SF6 به طور کامل نیازهای ظرفیت مولکول گوگرد را برآورده می‌کند. ساختار مولکولی آن هشت‌ضلعی است و هر رأس یک مولکول فلورین دارد. این شش پیوند کووالانسی هستند که ثبات استثنایی این ترکیب را تشکیل می‌دهند.

گاز SF6 را می‌توان بدون تجزیه تا 500 درجه سانتی‌گراد در غیاب فلزات کاتالیزوری گرم کرد. این گاز غیرقابل‌اشتعال است و هیدروژن، کلر و اکسیژن هیچ تأثیری روی آن ندارند. SF6 در آب نامحلول است و اسیدها به آن حمله نمی‌کنند.

میزان سمی بودن فراورده‌های قوس الکتریکی

هنگامی که گاز SF6 در معرض قوس الکتریکی قرار گیرد، فراورده‌ای تجزیه سمی تشکیل می‌شوند. این فراورده‌ها فلوراید فلز هستند و یک پودر سفید یا برنزه تشکیل می‌دهند.

گازهای سمی نیز به وجود می‌آیند که مشخصاً بویی شبیه تخم‌مرغ‌ گندیده دارند.

مزایا و معایب گاز SF6

در حالت خالص گاز SF6 بی‌رنگ، بی‌بو، بی‌مزه و غیرسمی است. در دمای اتاق و فشار، گاز است و چگالی آن 16٫6 گرم در لیتر، حدوداً پنج برابر چگالی هوا است. از آنجا که دمای بحرانی آن 45٫6 درجه سانتی‌گراد است، می‌توان آن را با فشار مایع کرد و معمولاً به صورت مایع منتقل می‌شود.

با توجه به خاصیت خاموش‌کنندگی قوس برتری گاز گوگرد هگزا فلوراید، مدارشکن‌های SF6 مزایای زیادی نسبت به مدارشکن‌های روغنی و مدارشکن‌های هوایی دارند.

مزایای کلید قدرت SF6

مزایای مهم کلیدهای قدرت SF6 عبارتند از:

• خاصیت خاموش‌کنندگی قوس گاز هگزافلوراید گوگرد (SF6) بسیار خوب است. به همین دلیل مدارشکن‌های SF6 زمان قوس بسیار کوتاهی دارند. بنابراین از گاز SF6 در پست‌های عایق گاز استفاده می‌شود.
• مقاومت دی‌الکتریک گاز SF6 در مقایسه با هوا 2 تا 3 برابر است. بنابراین کلیدهای SF6 می‌توانند جریان‌های بسیار بزرگ‌تری را قطع کنند.
• برخلاف مدارشکن هوایی، مدارشکن SF6 به دلیل بسته بودن مدار گاز و عدم خروج آن از جو، بدون صدا کار می‌کند.
• طراحی جمع و جور مدارشکن‌های SF6 الزامات فضا و هزینه‌های نصب ساختمان را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. مدارشکن‌های SF6 می‌توانند همه پدیده‌های سوئیچینگ شناخته شده را مدیریت کنند.
• مدارشکن‌های SF6 می‌توانند با شرایط محیطی کاملاً سازگار شوند. این کلیدها دارای سیستم گاز کاملاً محصور هستند که هرگونه خروجی را در حین عملیات کلیدزنی از بین می‌برد.
• جداسازی کنتاکت در مدارشکن‌های SF6 به دلیل قدرت دی‌الکتریک ارائه شده توسط فشار بالای SF6 حداقل است.

معایب کلید قدرت SF6

به طور کلی، نقطه ضعف مهم مدارشکن‌های SF6 در مقایسه با سایر کلیدهای قدرت هزینه نسبتاً بالای آن‌ها است. البته این هزینه‌ها در سال‌های اخیر تا حدودی کاهش یافته است.

برخی دیگر از معایب کلید قدرت SF6 عبارتند از:

• عملیات کلیدزنی سنگین می‌تواند فراورده‌های جانبی مضر ناشی از تجزیه را تولید کند. در حین عملیات آب‌بندی معمولی، این محصولات جانبی دوباره در SF6 ترکیب می شوند. با این حال، در طول قوس‌ها یا در صورت خرابی در پست، SF6 و فراورده‌های جانبی آن می‌توانند در محیط آزاد شوند.
• اتصالات ناقص در کلید قدرت Sf6 منجر به نشت گاز SF6 می‌شود. بنابراین تجهیزات نظارتی به صورت مداوم مورد نیاز است.
• گاز قوس SF6 سمی است و نباید استنشاق شود.
• در حالی که SF6 در شکل خالص آن غیرسمی است، می‌تواند در صورت جمع‌ شدن موجب خطر در تنفس شود. از آنجا که این گاز سنگین‌تر از هوا است، معمولاً می‌تواند در نزدیکی زمین، به عنوان مثال در ترانشه‌های کابل یا سیستم‌های زهکشی جمع شود. بنابراین، به پرسنل سایت دستور داده می شود که از چنین محیط‌هایی مراقبت کنند.
• قرار گرفتن در معرض محصولات جانبی جامد، در صورت استنشاق، موجب تحریک پوست و چشم‌های در معرض دید، بینی، گلو و ریه‌ها می‌شود. اگر حجم کافی به دستگاه گوارش برسد، علائم بیشتری ممکن است ایجاد شود.
• برای انتقال گاز و حفظ کیفیت آن، امکانات ویژه‌ای لازم است. افت کیفیت گاز بر عملکرد و در نتیجه قابلیت اطمینان مدارشکن SF6 تأثیر می‌گذارد.

ایمنی و نگهداری کلید قدرت SF6

مراقبت از کلید قدرت SF6 به دلیل اهمیت آن در سوئیچینگ معمولی و محافظت از تجهیزات دیگر ضروری است. اگر یک مدارشکن به دلیل عدم نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه کار نکند، سیستم انتقال برق دچار مشکل می‌شود و تجهیزات ممکن است خراب شوند.

برای اطمینان از عملکرد صحیح و حذف هرگونه تجمع گرد و غبار یا مواد خارجی روی قطعات و کنتاکت‌های متحرک، باید بریکرهایی که به مدت 6 ماه یا بیشتر بیکار می‌مانند، چندین بار پشت سر هم باز و بسته شوند.

اگرچه SF6 خالص سمی نیست، اما حاوی اکسیژن نیز نیست و ممکن است خطرآفرین باشد. چگالی بالای SF6، پنج برابر هوا است و این به این معنی است که هرگونه نشتی باعث تجمع گاز در مناطقی مانند ترانشه‌های کابل می‌شود و اپراتورها باید از خطر خفگی مطلع شوند.

با این حال، مخلوطی از 20 درصد اکسیژن و 80 درصد SF6 را می‌توان در ایمنی تنفس کرد و چنین مخلوط‌هایی در آزمون‌های آزمایشگاهی روی انسان در حین مطالعه آیرودینامیک ریه استفاده شده است.

یک قوس در SF6 فلورایدهای کمتری از گوگرد تولید می‌کند که گازی و سمی هستند. این گازها به طور مؤثر توسط عوامل مناسب کنترل و جذب می‌شوند، به عنوان مثال آلومینای فعال یا غربال مولکولی که در داخل تجهیزات موجود است.

 

علاوه بر این، گازها دارای بوی نامطبوع تندی هستند که نسبت به وجود آن‌ها هشدار کافی را می‌دهد.

همان‌طور که در بالا ذکر شد، فلورایدهای فلزی به شکل گرد و غبار ریز نیز در فرایند وقفه تولید می‌شوند. این فلورایدها محرک هستند، بنابراین اکثر تولیدکنندگان توصیه می‌کنند هنگام تعمیر و نگهداری از ماسک گرد و غبار، عینک و دستکش پلاستیکی استفاده کنید، اگرچه استثنائات قابل توجهی نیز ثبت شده است.