فهرست

مقدمه

حفاظت تجهيزات و دستگاه هاي سيستم قدرت در مقابل عيوب و اتصاليها ، به وسيله كليد قدرت انجام مي گيرد قبل از اينكه كليد قدرت بتواند باز شود ، سيم پيچي عمل كنندة آن بايد تغذيه شود اين تغذيه به وسيله رله هاي حفاظتي انجام مي پذيرد . رله به دستگاهي گفته مي شود كه در اثر تغيير كميت الكتريكي مانند ولت و جريان و يا كميت فيزيكي مثل درجه حرارت و حركت روغن ( در رله بوخهولس ) تحريك شده و باعث به كار افتادن دستگاههاي ديگر و نهايتاً قطع مدار به وسيله كليد قدرت ( در سيستم توليد و انتقال و توزيع ) يا دژنكتور مي گردد . بنابراين به وسيله رله ، محل وقوع عيب از شبكه جدا سازي شده باعث مي شود كه ساير قسمتهاي سالم شبكه همچنان به كار خود ادامه دهند و پايداري و ثبات شبكه به همان حالت قبلي محفوظ بماند . تجهيزات و دستگاهها در مقابل عيوب و اتصالي ها محافظت شده و ميزان خسارات وارده به آنها محدود گردد . سبب به وجود آمدن اتصالي ها و تأثيرات آن به دو علت زير اتصالي ها مي توانند به وجود آيند : الف – تأثيرات داخلي تأثيرات داخلي كه باعث خراب شدن و از بين رفتن دستگاهها يا خطوط انتقال و توزيع مي شود عبارتند از : فاسد شدن قسمتهاي عايق در يك مولد ، ترانسفورماتور ، خط ، كابل و غيره . اين ضايعات و امكانات مكن است مربوط به عمر عايق ، عدم تنظيم صحيح ، عدم ساخت صحيح و يا عدم نصب صحيح عايق باشد . ب – تأثيرات خارجي تأثيرات خارجي شامل تأثيرات زيادي است از آن جمله رعد و برق ، اضافه بار كه باعث به وجود آمدن حرارت شود ، برف و باران ، باد و طوفان ، شاخة درختها ، حيوانات و پرندگان ، سقوط اشياء اشتباه در عمليات و خسارتهايي كه يه وسيله مردم وارد مي شود و غيره . وقتي كه يك اتصالي در مداري رخ دهد ، جريان افزايش يافته و ولتاژ ( اختلاف پتانسيل ) نقصان پيدا مي كند افزايش جريان حرارت زيادي را به وجود آورده كه ممكن است منجر به آتش سوزي يا انفجار شود . اگر اتصالي به صورت جرقه باشد ممكن است خسارت زيادي به بار آورد . براي مثال اگر جرقه اي بر روي خط انتقال نيرو به وجود آمده و سريعاً بر طرف نشود خط را سوزانده و باعث پاره شدن آن خواهد شد و نتيجه سبب قطع برق براي مدت طولاني خواهد شد . نقصان ولتاژ كه در اثر يك اتصالي به وجود آيد مي آيد براي دستگاههاي الكتريكي بسيار زيان آور است و اگر اين ولتاژ ضعيف براي چند ثانيه ايي ادامه داشته باشد ، موتورهاي مشتركين از كار باز ايستاده ، دوران مولدهاي برق نامنظم و نا مرتب خواهد شد پس در صورت وقوع جريان شديد و ولتاژ ضعيف به سبب اتصالي در مدار مي بايست به فوريت اتصالي كشف و برطرف گردد و جريان ولتاژ به حالت عادي باز گردانده شود.

کلید چیست؟

کلیدها وسیله ارتباط سیستم های مختلف هستند و باعث عبور و یا قطع جریان می شوند.
کلیدها دارای مشخصات زیر هستند :

1-در حالت قطع دارای استقامت الکتریکی کافی و مطمئن در محل قطع شدگی می باشند.
2- در حالت وصل باید کلید در مقابل کلیه جریان هایی که امکان عبور آن در مدار هست، حتی جریان اتصال کوتاه، مقاوم و پایدار باشد و این جریان ها و اثرات ناشی از آن نباید کوچکترین اختلالی در وضع کلید و هدایت صحیح جریان به وجود آورد.

بدین ترتیب باید کلید فشار قوی در مقابل اثرات دینامیکی و حرارتی جریان ها مقاوم باشد.

نقش کلیدهای قدرت در سیستم قدرت

نقش اصلی كلیدها درپی بروز عیب درشبكه ظاهر می گردد. چنانچه با بروز عیب وضرورت قطع اتوماتیك خط، كلید خط بعللی عمل نكرده ویا موفق به قطع جریان عیب نگردد، شبكه با خاموشی موضعی مواجه می‌گردد. ولی درصورتی كه بعللی خاموشی كامل باشد این خاموشی توأم با صدمات وخسارات جبران ناپذیر خواهد بود. كلیدها درشرایط كارعادی شبكه ودرهنگام وصل بودن، نقش مهمی درتأمین انرژی مصرف كننده‌ها به عهده ندارند نقش اصلی آنها تنها درهنگام بروز عیب ظاهر می‌گردد. درهنگام بروزعیب كه قطع ویا وصل فوری آنها ضروری است،‌باید با صدور فرمان بطور اتوماتیك وبا اطمینان كافی عمل نمایند. اختلاف عمده كلیدها با سایر تجهیزات شبكه ازهمین جا ناشی می‌گردد، درحالیكه كلید درشرایط عادی ممكن است برای مدت طولانی مورد استفاده واقع نگردد، قطع و وصل آن درلحظه بروزعیب می‌بایست از اطمینان فوق‌العاده برخوردار بوده واحتمال بروزعیب درآنها و مكانیزم كارآنها حداقل باشد. هرگونه عیب الكتریكی درشبكه وتجهیزات فشارقوی بصورت انواع مختلف اتصالی ظاهر میگردد.

رله‌های حفاظتی پیش‌بینی شده بروز عیب را درشبكه احساس كرده وفرمان قطع را به كلید قدرت تعیین شده اعلام می‌دارند. با قطع كلید، قسمت معیوب وصدمه دیده كه عیب درآن روی داده است ازقسمتهای سالم شبكه جدا می گردد. بروز عیب درشبكه امری عادی بوده وقابل پیش‌بینی نمی‌باشد. بطوریكه هیچگاه نمی‌توان بطور كامل و صددرصد ازبروز آن جلوگیری نمود وتنها می‌توان با قطع سریع وبه موقع كلیدها ازادامه عیب واثرات مخرب آن درشبكه جلوگیری نمود وخسارات وصدمات ناشی ازعیب را به حداقل كاهش داد.

قطع و وصل كلیدها درهنگام بروز عیب وبطور اتوماتیك، بیش از قطع و وصل دستی آنها اهمیت دارد. درهنگان بروز عیب، جریان خطایی كه ازكلید می‌گذرد تا چندین كیلوآمپر رسیده و بسیار بیش ازجریان عبور كرده ازكلید درهنگام قطع و وصل دستی كلید می‌باشد. لذا قطع و وصل كلید درهنگام بروز عیب با دشواری بیشتری صورت گرفته ودرشرایط سنگین مربوط به عبور جریان عیب انجام می‌گردد.

عمل اصلی حفاظت شبكه درهنگام بروز اتصالها وبرقراری جریان عیب توسط كلیدهای قدرت صورت می‌پذیرد. با قطع كلید قدرت، قسمت معیوب شبكه ازقسمتهای بدون عیب ودرحال كار شبكه جدا شده و ادامه كار وثبات شبكه تأمین می‌گردد. بروزهرگونه عیبی دركلید قدرت، بطوریكه با بروز عیب درشبكه وبكارافتادن رله‌های حفاظتی، كلید عمل نكرده وبه موقع قسمت معیوب شبكه را جدا ننماید، قطع بی مورد ونابجای سایركلیدها وازكار افتادن قسمتی ازشبكه را به همراه خواهد داشت. عیب دركلید ممكن است ناشی ازبروز اشكال درمدار فرمان كلید، بروزعیب درمكانیزم قطع و وصل كلید، عدم توانائی كلید درقطع جریان عیب، افزایش زمان قطع كلید وغیره باشد.

با توجه به تعداد عیوبی كه درخطوط انتقال انرژی وسایر تجهیزات شبكه درسال روی می‌دهند ودركلیه عیوب روی داده كلیدهای قدرت نقش اصلی را درقطع قسمت معیوب وحفظ شرایط عادی شبكه عهده‌دار می‌باشند، اهمیت كلیدهای قدرت وتأثیر آنان درادامه كارعادی شبكه روشن می‌گردد. عدم قطع به موقع وبجای كلیدها درهنگام بروزعیب منجر به قطع سایركلیدها درنقاط دیگری ازشبكه شده وقسمتهای بیشتری ازشبكه را با قطع برق وخاموشی مواجه می‌نمایند. تأخیر درقطع كلیدها، مدت باقی بودن عیب و برقراری جریان عیب درشبكه را افزایش داده وبازگشت شبكه را به شرایط عادی دشوارتر می‌نماید.

با روشن شدن اهمیت ونقش كلیدهای قدرت درحفظ شرایط پایداری شبكه و جلوگیری از خاموشی‌های مكرر، درجه اطمینان وقابلیت كلیدهای قدرت تعیین می گردد. این امر موجب می‌شود تا كلیدها ازحداكثر اطمینان و توانائی برخوردار باشند. هرقدر عیوب روی داده دركلیدها ومكانیزم كارآنها كمترباشد، ثبات كارشبكه بیشترشده وقطعی‌های شبكه كمترمی‌گردد. دستیابی به حداكثر اطمینان در عملكرد كلیدهای قدرت درشبكه وتوانائی كامل آنها درقطع جریان عیب، موجب می‌گردد تا بررسی‌های لازم به منظور تعیین توانائی آنها درقطع جریان عیب وتعیین نوع مناسب آنها بادقت زیاد وبا توجه به كلیه پارامترهای شبكه صورت پذیرد. درشبكه‌ای كه كلیدهای قدرت نصب شده درآن بازدهی خوبی نداشته ونتوانند درمقابل عیوب روی داده درشبكه با سرعت كافی عمل نمایند، همواره عدم رضایت مشتركین ومصرف كنندگان انرژی وجود خواهد داشت.

نیازهایی از شبکه که کلید قدرت باید تامین نماید

بطور كلی كلیدهای قدرت تجهیزاتی هستند كه باید توانایی قطع ووصل مدار فشار قوی راهم درشرایط عادی سیستم وهم درشرایط وقوع خطا داشته باشند. یك كلید قدرت مناسب باید بتواند عمل قطع و وصل شبكه را درشرایط مختلف بار واتصال كوتاه درمحدوده شرایط ومقادیر نامی تعیین شده برای كلید طوری انجام دهد كه خود آسیب ندیده وشبكه نیزبه نحومطلوب كنترل شود.

بطور كلی كلیدهای قدرت بایستی بتوانند نیازهای زیررا بدون ایجاداضافه ولتاژ گذرای خارج ازتحمل عایق‌بندی شبكه بدون اینكه آسیبی به خود وسایر تجهیزات شبكه وارد آید برآورده نمایند:

1- تحمل عبورجریان پیوسته نامی مدار بدون اینكه حرارت اضافی درآنها تولید شود و به كلید صدمه‌ای برسد.

2- قطع جریانهای خطا (بدون افزایش غیرمجاز تنشهای حرارتی ومكانیكی)

3- قطع و وصل جریانهای خازنی (نظیر جریانهای خطوط انتقال نیروی بی باربا انتهای باز)

4- قطع و وصل جریانهای اندوكتیو (نظیر جریانهای ترانسفورماتورهای بی بار وجریان راكتورهای موازی)

5- قطع جریانهای اتصال كوتاه ترانسفورماتورها و راكتورها

6- وصل مجدد اتوماتیك

بررسی شرایط حاکم بر کلید هنگام قطع کردن

سلفی بودن شبکه ای که کلید به آن متصل است باعث می شود که کلید زمانی که قطع می شود مقدار جریان عبوری از آن صفر باشد.

در لحظۀ باز شدن کلید آنقدر فاصله بین دو کنتاکت کم است که کوچکتـرین سـطح ولتـاژ هم بـاعث جـاری شـدن جریــان می شـود.

در ادامه به بررسی شرایط حاکم بر کلید در حالاتی که به منبع یک بار سلفی ویا اهمی ویا خازنی متصل باشد می پردازیم.

بررسی حالتی که به منبع یک بار سلفی متصل است

اگر کلید در حالت عادی بسته باشد و مثلاً در لحظۀ t0  شکل موج سینوسی کلید باز شود، در همان لحظۀ قطع کلید جریان صفر نمی شود، بلکه مسیری را که خود شکل موج جریان صفر شده را طی می کند. (که این طی کردن شکل موج ناشی از همان آرک هایی است که بین دو کنتاکت زمانی که هنوز فاصلۀ بینشان کم است می باشد)

روشهای مختلف خاموش کردن جرقه

الف: در کلیدهای فشار ضعیف

1.     استفاده از یک کلید فرعی با مقاومت سری

2.     ازدیاد طول قوس

3.     تشدید خنک کردن

4.     مقطع کردن قوس

5.     خاموشی درنقطه صفر

6.     خازن موازی با کنتاکتها

7.     خلاء

8.     روغن

ب: در کلیدهای فشارقوی

1.     خاموش کننده های جامد

2.     خاموش کننده های مایـع

3.     خاموش کننده های گازی

استفاده از یک کلید فرعی با مقاومت سری

کلید فرعی با مقاومت سری

در این روش ابتدا کلید فرعی باز میشود و مقاومت را وارد مدار میکند و بعد کلید اصلی باز میشود.
با گذاشتن مقاومت مقدار ولتاژ برگشتی کمتر میشود.

ازدیاد طول قوس

همانطورکه می دانیم یک قوس الکتریکی همیشه سعی می کند ازمحل اولیه خود دور شود. عامل دور شدن وحرکت کردن قوس یکی حرارت ودیگری نیروی حوزه الکترومغناطیسی  است. دراثر حرارت قوس هوای اطراف قوس گرم شده وبه بالا صعود می کندوقوس رانیزبدنبال خود میکشد.

تشدید خنک کردن

درموقع راندن قوس ، اگرانتهای محفظه جرقه گیر باز باشد جرقه با ورود تدریجی به هوای سرد خود به خود خنک میشود. حتی میله های عایقی که در محفظه نصب می شوند نیز در خنک کردن قوس بسیار موثرند.

بنابراین برای سریعتر خنک کردن قوس در بعضی ازکلیدها محفظه جرقه گیر را طوری می سازند که سطح قاعده فوقانی آن کوچکتر از سطح قاعده تحتانی باشد (هرم ناقص). مانند شکل
درنتیجه تماس جرقه با محفظه عایقی که اغلب از سرامیک یا سفال می باشد میسرشده و عمل خنک کردن تشدید میگردد.