قاطع تيار
قاطع التيار أو قاطع الدارة (وجمعها القواطع الكهربائية) مفتاح يعمل تلقائيا 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 .
تم وصف الشكل المبدئي من قاطع التيار من قبل توماس اديسون 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 . و قاطع الدائرة المصغر الحديث مماثل في الاستخدام لقاطع التيار المخترع من قبل مجموعة براون , بوفيري أند سي عام 1924 ."1920-1929 Stotz miniature circuit breaker and domestic appliances", ABB, 2006-01-09, accessed 4 July 2011 هوجو ستوتز هو مهندس و رائد القاطع الحراري المغناطيسي الحديث الذى 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 خصيصا لمشروع سد هوفر قام بإستخدام 8 قواطع وتدفق مضغوط للزيت لمقاطعة الأخطاء حتى 2500 ميجا فولت أمبير في 3 دورات من تردد الطاقة المترددة .
جميع أنظمة قواطع التيار تحتوى على صفات مشتركة أثناء التشغيل, على الرغم من إختلاف التفاصيل المعتمدة على تصنيف الجهد, التيار ونوع قاطع التيار .
قاطع التيار يجب أن يحدد ظروف الخطأ, فمثلا في قاطع التيار ذو الجهد المنخفض, يتم ذلك داخل الوعاء المحتوي على القاطع . قواطع التيارات المستخدمة في التيارات الكبيرة أو الجهود العالية غالبا يتم الحاق مرحل حماية بها لإستشعار ظروف الخطأ وتشغيل إليه قطع الخطأ . ملف القطع الكهربائي والذى يطلق مزلاج القطع غالبا يتم تغذيته من دائرة منفصلة, كما أن بعض قواطع التيار ذات الجهود العالية تحتوي ذاتيا على محولات تيار, مرحلات حماية ومصدر طاقة داخلي .
بمجرد تحديد الخطأ, تقوم أطراف التلامس لقاطع التيار بالفتح لقطع الدائرة . وتستخدم بعض الطاقة المخزنة داخليا بالقاطع ( باستخدام الهواء المضغوط أو الياي ) لفصل أطراف التلامس, بالرغم من أن بعض الطاقة المخزنة قد تكون ناتجة من تيار الخطأ نفسه . تعمل قواطع التيار الصغيرة يدويا, الوحدات الأكبر تحتوي على ملفات كهربائية لقطع الخطأ ومحركات كهربائية لإعادة الطاقة إلى الياي .
يجب أن تحمل أطراف التلامس لقاطع التيار تيار الحمل بدون حرارة عالية, كما يجب أن تتحمل حرارة القوس الكهربائي المتكون عند قطع الدائرة الكهربائية . تصنع أطراف التلامس من الفضة أو سبائك الذهب, سبائك الفضة, سبائك النحاس أو مواد أخرى جيدة التوصيل . العمرالإفتراضي لأطراف التلامس يحدد بتآكل مادة التلامس نتيجة القوس الكهربائي عند قطع التيار . قاطع التيار الصغير أو المصبوب يتم التخلص منه بمجرد تآكل أطراف التلامس بينما قواطع دوائر الطاقة وقواطع التيار ذو الجهد العالي يتم استبدال أطراف تلامسهم .
عند قطع التيار, يتولد قوس كهربائي وبالتالى فإن الثغرة الهوائية بين أطراف التلامس يمكن تحملها للجهد في الدائرة الكهربائية . تستخدم قواطع التيار الفراغ, الهواء, الغاز المعزول أو الزيت كوسط يتكون القوس الكهربائي به .وتستخدم العديد من الطرق للحد من القوس الكهربائي وتشمل :وأخيرا, بمجرد إزالة الخطأ, يتم غلق أطراف التلامس مرة أخرى لإعادة الطاقة للدائرة المفصولة .
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 بإستخدام المجال المغناطيسي , ومن ثم تعتمد على شدة العزل لغاز سداسي فلوريد الكبريت لإطفاء القوس الممتد .
قواطع التيار التى تعتمد على الفراغ تحتوي على أقواس كهربائية صغيرة ( لأنه لا يوجد أي شئ صالح للتأين إلا المادة الموصلة ) , لذلك يتم إطفاء القوس الكهربائي عندما يتم بدرجة صغيرة جدا ( أقل من 2 – 3 ميللي متر ) . تستخدم قواطع التيار التى تعتمد على الفراغ في صندوق السرعة ذو الجهد المتوسط والذى 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 غالبا تكون قادرة على إخماد جميع التيارات بسرعة جدا , 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 .
يتم تصنيف قواطع التيار بالتيار العادي المتوقع أن يحمل , و أقصى 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 , والتى يمكن أن تسمح بإستمرار القوس الكهربائي , أو خلق دوائر قصر اضافية , ناتجة من انفجار قاطع التيار والمعدة التى تم تركيبه بها . وعلاوة على ذلك , فإن قاطع التيار يقوم بدمج خصائص عديدة لتفريق و اخماد 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 اعادة بدأ ينفجر .
يتحمل قاطع التيار المنزلي التقليدي تيار قصر قدره 10 كيلو أمبير .
قواطع التيار الصغيرة تستخدم لحماية دوائر التحكم أو الأجهزة الصغيرة التى تحتوي على سعة قطع غير كافية , ويطلق على قواطع التيار تلك " حماة الدائرة التكميلية " لتمييزهم عن قواطع التيار المستخدمة في التوزيع .
يتم تصميم قواطع التيار بأحجام معيارية مختلفة , وباستخدام نظام الأرقام المفضلة لتغطية مدى واسع من المعدلات . وتحتوي قواطع التيار الصغيرة على اعدادات قطع ثابتة , وتغيير قيمة تيار التشغيل يتطلب تغيير في قاطع التيار بأكمله . وقواطع التيار الكبيرة تحتوي على اعدادات قطع معدلة , حيث تسمح للعناصر المتحدة بأن تعمل لكن بإعدادت تهدف إلى تحسين الحماية . على سبيل المثال , قاطع التيار ذو 400 أمبير يمكن أن تكون إعدادات زيادة التيار مصممة حتى 300 أمبير فقط , لحماية كابل التغذية .
المعايير العالمية ( IEC 60898-1 ) , والمعايير الأوروبية (EN 60898-1 ) قامت بتعريف التيار الكامل لقاطع التيار المستخدم في تطبيقات توزيع الجهد المنخفض على أنه أقصى تيار يمكن للقاطع أن يحمله بإنتظام ( في درجة الحرارة المحيطة 30 درجة سيلزيوس ) . القيم المفضلة والمتاحة للتيار الكامل هي 6 أمبير , 10 أمبير , 13 أمبير , 16 أمبير , 20 أمبير , 25 أمبير , 32 أمبير , 40 أمبير, 50 أمبير , 63 أمبير , 80 أمبير , 100 أمبير و 125 أمبير ( شبيهة لمتسلسلة رينارد ولكنها تستخدم 6 , 13 و 32 بدلا من 6.3 , 12.5 و 31.5 ) . يتم تصنيف قاطع التيار بالتيار الكامل وبوحدة الأمبير , ولكن يتم تبديل الرمز (A ) بالرموز (B , C أو D ) والتى تشير إلى تيار القطع اللحظي , وهذه هي القيمة الأقل للتيار والتى تجعل قاطع التيار يقوم بالقطع بدون تأخير زمني ( خلال 100 ميللي ثانية ) ويعبر عنه بالرمز ("I") .
يتم تصنيف قاطع التيار أيضا بأقصى تيار خطأ يمكن أن يقطع , وهذا يسمح لإستخدام أجهزة أكثر إقتصادية في الأنظمة مثل نظام توزيع إقتصادي كبير .
في الولايات المتحدة الأمريكية , تقوم منظمات السلامة (UL) بالسماح لتصنيف المعدات , ويسمى التصنيف التسلسلي ( أو تصنيف المعدة المتقدم) بالنسبة لقواطع التيار التى تستخدم في المباني , قواطع دائرة القدرة و قواطع التيار عالية الجهد التى تستخدم في الأنظمة الصناعية والكهربائية والتى يتم تصميمها واختبارها من قبل جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات والمعهد القومي الأمريكي للقياس .
هناك العديد من تصنيفات قواطع التيار , وتبنى على خصائصهم مثل تصنيف الجهد , نوع البناء , نوع القطع و خصائص إنشائية .
الأنواع منخفضة الجهد ( أقل من 1000 V ) شائعة في التطبيقات المنزلية , التجارية و الصناعية وتشمل :
هناك 3 أنواع رئيسية لقاطع التيار منخفض الجهد :
في المملكة المتحدة فإن كل قواطع التيار منخفضة الجهد يتم اختيارهم طبقا ل BS 7671 .تعطى خصائص قواطع الدائرة منخفضة الجهد بالمعايير العالمية مثل IEC 947 . ويتم تركيب قاطع التيار غالبا بحيث يمكن إزالته بدون تفكيك المعدة .
قواطع التيار الكبيرة منخفضة الجهد يمكن أن تحتوي على مشغلي المحرك الكهربائي لكى يستطيعوا الفتح والغلق عن طريق التحكم عن بعد . وهذا يمكن أن يشكل جزء من نظام مفاتيح نقل أوتوماتيكية للطاقة .
قواطع التيار منخفضة الجهد تصنع أيضا من تطبيقات التيار المستمر , مثل استخدامها في الطرق السريعة . والتيار المستمر يحتاج إلى قواطع خاصة لأن القوس الكهربائي يكون مستمر على عكس القوس الكهربائي للتيار المتردد , والذى يتم اخماده كل نصف دورة . ويحتوي قاطع التيار المستمر على ملفات تقوم بتوليد مجال مغناطيسي والتى تقوم سريعا بمد القوس الكهربائي . قاطع التيار الصغير يتم تركيبه مباشرة داخل المعدة أو في وحدة القطع .
قاطع التيار المغناطيسي الحراري الصغير هو أكثر الأشكال شيوعا في وحدات الإستهلاك المنزلية ووحدات التوزيع الكهربائية التجارية . ويشمل التصميم الأتي :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 الذى 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 .
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 .
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 .
يستخدم قاطع التيار متوسط الجهد في الجهود بين 1 إلى 72 كيلو فولت ويمكن أن تكون مكوناته متجمعة معا عند الاستخدام الداخلي أو متفرقة عند الاستخدام الخارجى في محطة التوزيع .تستبدل الوحدات المملوءة بالزيت داخل قواطع تيار كسر الهواء في التطبيقات الداخلية , ولكن في الوقت الحالي فإنه يتم استبدالهم بقواطع الدائرة التى تستخدم الفراغ كوسط عازل (حتى جهود تصل إلى 40.5 كيلو فولت) . مثل قواطع التيار عالية الجهد , فإنها تعمل بمرحل حماية مستشعر للتيار داخل محولات التيار .وتعطى خصائص القواطع منخفضة الجهد بواسطة المعايير العالمية مثل IEC 62271 . تستخدم قواطع التيار منخفضة الجهد مستشعرات تيار منفصلة ومرحلات حماية , بدلا من مستشعرات زيادة التيار المغناطيسية أو الحرارية .
يمكن تصنيف قواطع التيار منخفضة الجهد على حسب الوسط المستخدم لإطفاء القوس الكهربائي :
يتم حماية شبكات النقل الكهربائي بإستخدام قاطع تيار عالي الجهد . ويعتبر الجهد عاليا عندما يتجاوز 72.5 كيلو فولت . ويتم تصنيف قواطع الجهد العالي عن طريق الوسط المستخدم لإطفاء الشرارة وتشمل :
وتستخدم معظم القواطع الحديثة غاز سداسي فلوريد الكبريت لإخماد القوس الكهربائي نظرا للتكلفة و الظروف البيئية .
يمكن تصنيف قاطع التيار كخزان نشط , حيث أن الإطار المحتوي على إليه القطع يكون معرض لجهد الخط , أو كخزان غير نشط حيث أن الإطار يكون مؤرض . قواطع تيار الجهد العالي المتردد تصل جهودها عادة إلى 765 كيلو فولت . وتم إنشاء قواطع بجهد 1200 كيلو فولت بواسطة شركة سيمنز في نوفمبر عام 2011 ,وتلتها شركة ABB في ابريل بالعام التالي .
يمكن لقواطع التيار عالية الجهد المستخدمة في نظم النقل السماح لقطب أحادي في خط ثلاثي الطور بأن يفصل , بدلا من فصل الثلاثة أقطاب كلهم , حيث تستخدم هذه الطريقة في بعض أنواع الأخطاء لتحسين استقرار النظام واعتماديته .
لا تزال قواطع تيار الجهد العالي المستمر فرع من فروع بحث عام 2015 . وتعتبر بعض القواطع مفيدة في ربط خطوط نقل تيار الجهد العالي المستمر .
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 .
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 .
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 .
تستخدم أنواع أخرى من القواطع للحماية من الأخطاء الأرضية الصغيرة جدا وتشمل :