قاطع تيار

قاطع التيار أو قاطع الدارة (وجمعها القواطع الكهربائية) مفتاح يعمل تلقائيٌا لحماية الدوائر الكهربائية، من محركات كهربائية ووصلات منزلية، وخطوط القدرة طويلة المدى، والدوائر الكهربائية الأخرى، من الضرر الناتج عن مرور تيار كهربائي عال جداً. وقد يمر التيار الكهربائي العالي في الدائرة الكهربائية، إما نتيجة عطب في الدائرة، أو نتيجة عامل خارجي إضافي مثل البرق.
ويصمم كل قاطع دائرة، بحيث يسمح بمرور حد أقصى من التيار الكهربائي. وإذا زاد التيار الكهربائي عن هذا الحد، فإن الآلية الأوتوماتيكية داخل قاطع الدائرة، تقوم بفتح مجموعة التلامس (المفاتيح) وتوقف التيار. وتتضمن الآليات المستخدمة في فتح مجموعة التلامس، المغانط الكهربائية والنبائط الحساسة للحرارة.
عند فتح المفتاح، يقفز قوس كهربائي عبر التلامسات المفتوحة. وتستمر الكهرباء في المرور من خلال هذا القوس حتى ينطفئ. أما بالنسبة لقاطع الدائرة الزيتية، فإن المفتاح يغطس في زيت فيطفئ القوس الكهربائي. وبالنسبة لقاطع الدائرة الهوائي الدفع، يتم إطفاء القوس بنفخ هواء مضغوط. أما بالنسبة لقاطع الدائرة بكتم القوس مغنطيسيًا، فإن ذلك يتم عن طريق انحراف الحقل المغناطيسي وكسر القوس.
ويساعد قاطع الدائرة المسمى قاطع الدائرة المتسرِّب الأرضي، في منع الصدمات الكهربائية. وتحدث معظم الصدمات الكهربائية، نتيجة لاستخدام الناس لتوصيلات أو معدات معينة، حيث تكون الأجزاء الفلزية المكشوفة متصلة بالكهرباء. وينتج عن لمس الفلز المكشوف مرور تيار كهربائي خلال جسم الشخص، ثم إلى الأرض. ويمكن لقاطع الدائرة المتسرب الأرضي، تحديد هذا التيار المتسرب أرضيًا، ويغلق بطريقة أوتوماتيكية التيار الواصل إلى التوصيلة المعيبة. وقاطع الدائرة المتسرب الأرضي، جهاز حساس صُمم للعمل مع تيارات تكون من الضعف لدرجة لا تستطيع عندها تنشيط قاطع الدائرة العادي.
وتكون بعض قواطع الدوائر صغيرة في الحجم، مثل مفتاح الإضاءة العادي، ولكن بعضها الآخر يكون كبيرًا، في حجم المنزل الصغير ذي الطابقين. ويستطيع قاطع الدائرة الكبير أن يقطع تيارات تصل إلى 100,000 أمبير عند 345,000 فولت، ويمكنها أيضًا أن تفتح الدائرة في أقل من جزء واحد من ثلاثين جزءًا من الثانية، وتغلقها مرة أخرى في أقل من ثلث جزء من الثانية .

النشأة

تم وصف الشكل المبدئي من قاطع التيار من قبل توماس إديسون كبراءة اختراع عام 1879، على الرغم من استخدام المصهر في نظام توزيع الطاقة له. وكان الغرض منه حماية أسلاك الإضاءة من دوائر القصر وزيادة التحميل. وقاطع الدائرة المصغر الحديث مماثل في الاستخدام لقاطع التيار المخترع من قبل مجموعة براون، بوفيري أند سي عام 1924. هوجو ستوتز هو مهندس ورائد القاطع الحراري المغناطيسي الحديث الذي يستخدم عادة في مراكز الأحمال المنزلية حتى يومنا هذا. الربط بين مصادر التوليد داخل الشبكة الكهربائية يتطلب تطوير لقواطع التيار بسبب ازدياد معدلات الجهد وازدياد معدلات الأمان لقطع تيار القصر الموجود بالشبكات الكهربية. مفاتيح كسر الهواء البسيطة اليدوية تنتج أقواس كهربائية خطيرة عند مقاطعة التيارات العالية، وهذا يفسح المجال أمام مفاتيح الزيت المغلقة، وأنواع متعددة أخرى تستخدم التدفق المباشر للهواء المضغوط، لمقاطعة واخماد القوس الكهربائي. في عام 1935، قاطع التيار المصمم خصيصًا لمشروع سد هوفر قام بإستخدام 8 قواطع وتدفق مضغوط للزيت لمقاطعة الأخطاء حتى 2500 ميجا فولت أمبير في 3 دورات من تردد الطاقة المترددة.

إخماد القوس الكهربائي

قاطع التيار الصغير ذو الجهد المنخفض يستخدم الهواء فقط لإخماد القوس الكهربائي. تحتوي قواطع التيار هذه على ما يسمى المزالق، وهي عبارة عن مجموعة من الأسطح المعدنية المعزولة والمتوازية والتى تفرق وتبرد القوس الكهربائي. وبتفريق القوس الكهربائي إلى أقواس كهربائية صغيرة، يتم تبريد القوس الكهربائي ويزداد جهد القوس ويعمل كمعاوقة إضافية والتى تحد من التيار خلال قاطع التيار. الأجزاء الحاملة للتيار بالقرب من أطراف التلامس توفر انحراف سهل للقوس الكهربائي عن طريق القوة المغناطيسية بمسار التيار، بالرغم من قدرة الملفات المغناطيسية أو الملفات الدائمة على انحراف القوس الكهربائي (تستخدم في قواطع التيار ذات المعدلات العالية). وعدد الأسطح يعتمد على معدل تيار القصر أو الجهد المقنن لقاطع التيار.
في المعدلات العليا، تعتمد قواطع التيار التى تستخدم الزيت على تبخر بعض الزيت عند قطع القوس الكهربائي.
قواطع التيار الغازية (عادة سداسي فلوريد الكبريت) تقوم بمد القوس الكهربائي باستخدام المجال المغناطيسي، ومن ثم تعتمد على شدة العزل لغاز سداسي فلوريد الكبريت لإطفاء القوس الممتد.
قواطع التيار التي تعتمد على الفراغ تحتوي على أقواس كهربائية صغيرة (لأنه لا يوجد أي شيء صالح للتأين إلا المادة الموصلة)، لذلك يتم إطفاء القوس الكهربائي عندما يتم بدرجة صغيرة جدًا (أقل من 2 – 3 ميللي متر). تستخدم قواطع التيار التى تعتمد على الفراغ في صندوق السرعة ذو الجهد المتوسط والذي يبلغ جهده 38000 فولت.
قواطع التيار الهوائية تستخدم الهواء المضغوط لإخماد القوس الكهربائي، أو بطريقة أخرى، تتحول أطراف التلامس إلى غرفة مغلقة صغيرة، والهواء الهارب يقوم بإخماد القوس الكهربائي.
قواطع غالبًا تكون قادرة على إخماد جميع التيارات بسرعة جدًا، وعادة يتم إخماد القوس الكهربائي بين 30 ميللي ثانية بعد عمل إليه القطع، وتعتمد على عمر وتصميم الجهاز. وتعتمد قيمة أقصى تيار والطاقة المارة على جودة قواطع التيار.

تيار القصر

يتم تصنيف قواطع التيار بالتيار العادي المتوقع أن يحمل، وأقصى تيار قصر يمكن أن يقطع. والشكل الأخير يوضح سعة قطع التيار (AIC) لقاطع التيار.
تحت ظروف دوائر القصر، فإن أقصى تيار قصر يمكن حسابه يمكن أن يكون مرات عديدة من التيار العادي، أو التيار المقنن للدائرة الكهربائية. عندما تفتح أطراف التلامس الكهربائية لمقاطعة تيار كبير، فإنه يتواجد احتمالية لحدوث قوس كهربائي بين الأطراف المفتوحة، والتى تسمح للتيار بأن يستمر. وهذا الحدث يمكن أن يخلق غازات متأينة وموصلة ومعادن منصهرة أو متبخرة، والتي يمكن أن تسمح بإستمرار القوس الكهربائي، أو خلق دوائر قصر إضافية، ناتجة من انفجار قاطع التيار والمعدة التي تم تركيبه بها. وعلاوة على ذلك، فإن قاطع التيار يقوم بدمج خصائص عديدة لتفريق وإخماد القوس الكهربائي.
يتم تحديد أقصى تيار قصر يمكن أن يقطعه قاطع التيار عن طريق الاختبار. تطبيقات القاطع في الدائرة مع احتمالية وجود تيار قصر أعلى من سعة القطع للقاطع يمكن أن يتسبب في فشل قاطع التيار في قطع الخطأ. أسوأ مشهد ممكن بأن ينجح قاطع التيار في قطع الخطأ ولكن عند عمل إعادة بدأ ينفجر.
يتحمل قاطع التيار المنزلي التقليدي تيار قصر قدره 10 كيلو أمبير.
قواطع التيار الصغيرة تستخدم لحماية دوائر التحكم أو الأجهزة الصغيرة التي تحتوي على سعة قطع غير كافية، ويطلق على قواطع التيار تلك "حماة الدائرة التكميلية" لتمييزهم عن قواطع التيار المستخدمة في التوزيع.

أنواع قواطع التيار

هناك العديد من تصنيفات قواطع التيار، وتبنى على خصائصهم مثل تصنيف الجهد، نوع البناء، نوع القطع و خصائص إنشائية.

قاطع التيار المغناطيسي

يستخدم قاطع التيار المغناطيسي ملف كهربائي بحيث تزيد قوة الدفع بزيادة التيار. وتقوم معظم التصميمات بتوحيد القوى الكهرومغناطيسية للملف الكهربائي. ويتم غلق أطراف التلامس لقاطع التيار عن طريق مفتاح. وبمجرد زيادة التيار في الملف عن التيار الكامل، فإن الملف يدفع المفتاح الذي يسمح لأطراف التلامس بالفتح عن طريق ياي. بعض قواطع التيار المغناطيسية تحتوي على تأخير زمني بإستخدام سائل لزج. فعندما يزداد التيار فإن سرعة الملف تقل بسبب لزوجة السائل وبالتالي يحدث تأخير زمني. وهذا يسمح بعدم تكون شرر بجانب التشغيل الطبيعي عند بدأ عمل المحرك وتنشيط الآلة. وتؤثر درجة الحرارة المحيطة على التأخير الزمني ولكنها لا تؤثر على التيار الكامل لقاطع التيار المغناطيسي.

قاطع التيار المغناطيسي الحراري

قواطع التيار المغناطيسية الحرارية والتى توجد في لوحات التوزيع الكهربائية وتدمج التقنيات مع الاستجابة الكهرومغناطيسية اللحظية للزيادات الضخمة في التيار (دوائر قصر). ويوفر الجزء الحراري لقاطع التيار استجابة عكسية زمنية، والتى تقوم بقطع التيارات العالية بسرعة وتسمح بزيادة تحميل قليلة.وفى التيارات العالية جدا أثناء حدوث دوائر قصر، فإن الجزء المغناطيسي يقطع التيار بدون حدوث تأخير زمني إضافي.

قاطع التيار الشائع

عند امداد فرع بالدائرة الكهربائية بأكثر من موصل نشط، فإن كل موصل نشط يجب أن يتم حمايته بواسطة قاطع. ولضمان أن جميع الموصلات النشطة مقطوعة، فإننا نستخدم قاطع التيار الشائع. ويمكن أن يحتوي على أليتان أو ثلاثة للقطع خلال مرحلة واحدة أو في القواطع الصغيرة، ويمكن ربط الأقطاب المستخدمة في القطع معا. ويعتبر قاطع التيار الشائع ذو القطبين من الأجهزة المعروفة بأنظمة الجهد 120 فولت / 240 فولت.
يستخدم قاطع التيار ذو قطبين أو 4 أقطاب عندما نحتاج إلى فصل فازات متعددة للتيار المتردد، أو فصل السلك المتعادل لضمان أنه لا يوجد تيار متدفق خلال السلك المتعادل من أي حمل آخر متصل بالشبكة الكهربائية عندما يكون العمال ملامسين للسلك المتعادل أثناء الصيانة.

قاطع تيار سداسي فلوريد الكبريت

يستخدم قاطع تيار سداسي فلوريد الكبريت أطراف التلامس محاطة بغاز سداسي فلوريد الكبريت لإخماد القوس الكهربائي. ويستخدم غالبا في محطات النقل. في الظروف الجوية الباردة، يتطلب حرارة إضافية في قواطع التيار لتمييع غاز سداسي فلوريد الكبريت.

قاطع تيار فاصل

تم انتاج قاطع التيار الفاصل (DCB) عام 2000  ويعتبر قاطع تيار عالي الجهد تم نمذجته بعد قاطع غاز سداسي فلوريد الكبريت. ويمثل حل تقليدي حيث يتم تركيب أداة القطع داخل غرفة القطع، وبالتالي لم يعد هناك حاجة لقواطع منفصلة. وهذا يؤدي إلى زيادة الإعتمادية، وتحتاج مفاتيح فصل الهواء المطلق إلى صيانة دورية كل 2 إلى 6 سنوات، بينما قواطع الدائرة الحديثة تحتاج إلى فترات صيانة كل 15 عام. يتم استخدام قاطع التيار الفاصل أيضا لتقليل متطلبات المساحة داخل محطة التوزيع، وزيادة الإعتمادية، بسبب نقص القواطع المنفصلة.
يتم استخدام مستشعر تيار ضوئي متكامل مع قاطع التيار الفاصل لتقليل المساحة المطلوبة من محطة التوزيع، وأيضا لتبسيط تصميم وهندسة المحطة. ويقوم مستشعر التيار الضوئي المتكامل مع قاطع التيار الفاصل ذا الجهد 420 كيلو فولت بتقليل بصمة محطة التوزيع للنصف بالمقارنة مع الحل التقليدي باستخدام القواطع النشطة مع محولات التيار، بسبب نقص المادة وعدم وجود وسط عازل إضافي.

قاطع تيار ثاني أكسيد الكربون

في عام 2012، قامت شركة ABB بإنتاج قاطع جهد عالي بجهد 75 كيلو فولت حيث يستخدم غاز ثاني أكسيد الكربون كوسط عازل لإخماد القوس الكهربائي. ويعمل قاطع تيار ثاني أكسيد الكربون بنفس مبادئ قاطع تيار سداسي فلوريد الكبريت ويمكن انتاجه أيضا كقاطع تيار فاصل. وبالتبديل بين غاز سداسي فلوريد الكبريت وغاز ثاني أكسيد الكربون، فإنه من المحتمل تقليل انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون بمقدار 10 طن أثناء دورة عمر المنتج.