قاطع دائرة سداسي فلوريد الكبريت

تحمي قواطع الدائرة الكهربائية المصنوعة من سداسي فلوريد الكبريت محطات الطاقة الكهربائية وشبكات التوزيع عن طريق قطع التيار الكهربائي عند فصلها بواسطة مرحل الحماية . وبدلاً من الزيت أو الهواء أو الفراغ، تستخدم هذه القواطع غاز سداسي فلوريد الكبريت (SF6 ₎ لتبريد وإخماد القوس الكهربائي عند فتح الدائرة. ومن مزاياها مقارنةً بالوسائط الأخرى انخفاض مستوى الضوضاء أثناء التشغيل، وعدم انبعاث الغازات الساخنة، وانخفاض تكاليف الصيانة نسبيًا. وقد طُوّرت هذه القواطع في خمسينيات القرن الماضي وما بعدها، _{وتُستخدم} على نطاق واسع في الشبكات الكهربائية عند جهد نقل يصل إلى 800 كيلوفولت، وكقواطع دوائر للمولدات، وفي شبكات التوزيع عند جهد يصل إلى 35 كيلوفولت.

يمكن استخدام قواطع الدائرة الكهربائية المصنوعة من سداسي فلوريد الكبريت كأجهزة مستقلة في المحطات الفرعية المعزولة بالهواء الخارجي أو يمكن دمجها في مفاتيح كهربائية معزولة بالغاز مما يسمح بتركيبات مدمجة عند الفولتية العالية.

يتم قطع التيار في قاطع الدائرة الكهربائية عالي الجهد بفصل نقطتي تلامس في وسط، مثل سداسي فلوريد الكبريت (SF6 ₎ ، الذي يتميز بخصائص عزل كهربائي ممتازة وقدرة فائقة على إخماد القوس الكهربائي. بعد فصل نقطتي التلامس، يمر التيار عبر القوس الكهربائي، وينقطع عند تبريد هذا القوس بنفث غاز ذي شدة كافية. ^{[ 1 ]}

غاز _سادس فلوريد الكبريت (SF6 ) سالب الشحنة الكهربائية ، وله ميل قوي لامتصاص الإلكترونات الحرة. تُفتح نقاط تلامس قاطع الدائرة الكهربائية بتدفق عالي الضغط من غاز سادس فلوريد الكبريت، فيحدث قوس كهربائي بينها. يلتقط الغاز الإلكترونات الحرة الموصلة في القوس الكهربائي، مكونًا أيونات سالبة غير متحركة نسبيًا. يؤدي فقدان الإلكترونات الموصلة في القوس الكهربائي بسرعة إلى تراكم قوة عزل كافية لإخماد القوس.

يجب أن يكون نفث الغاز المطبق على القوس الكهربائي قادرًا على تبريده بسرعة بحيث تنخفض درجة حرارة الغاز بين نقاط التلامس من 20000  كلفن إلى أقل من 2000  كلفن في غضون بضع مئات من الميكروثانية، وذلك لكي يتمكن من تحمل جهد الاستعادة العابر المطبق على نقاط التلامس بعد انقطاع التيار. يُستخدم سداسي فلوريد الكبريت عمومًا في قواطع الدائرة الكهربائية عالية الجهد الحالية ذات الجهد المقنن الذي يزيد عن 52  كيلوفولت.

حتى ثمانينيات القرن الماضي، كان الضغط اللازم لإشعال القوس الكهربائي يُولّد في الغالب عن طريق تسخين الغاز باستخدام طاقة القوس. أما الآن، فمن الممكن استخدام آليات زنبركية منخفضة الطاقة لتشغيل قواطع الدائرة الكهربائية عالية الجهد حتى 800  كيلوفولت.

شهدت قواطع الدائرة الكهربائية ذات الجهد العالي تطوراً ملحوظاً منذ ظهورها في منتصف خمسينيات القرن الماضي، حيث طُوّرت العديد من مبادئ الفصل التي ساهمت تباعاً في خفض استهلاك الطاقة التشغيلية بشكل كبير. تتوفر هذه القواطع للاستخدامات الداخلية والخارجية، وتأتي الأخيرة على شكل أعمدة قاطعة مُغلّفة بعوازل خزفية مثبتة على هيكل. سُجّلت أولى براءات الاختراع لاستخدام غاز سادس فلوريد الكبريت (SF6) كوسيط فصل في ألمانيا عام 1938 باسم فيتالي غروس ( _شركة AEG )، ثم بشكل مستقل لاحقاً في الولايات المتحدة في يوليو 1951 باسم إتش جيه لينغال، وتي إي براون، وإيه بي ستروم ( شركة وستنجهاوس ).

يعود أول تطبيق صناعي لغاز SF6 _لقطع التيار إلى عام 1953. تم تطوير مفاتيح أحمال عالية الجهد من 15  كيلو فولت إلى 161  كيلو فولت بقدرة قطع تبلغ 600  أمبير. أول قاطع دائرة عالي الجهد يعمل بغاز SF6 _تم بناؤه في عام 1956 بواسطة شركة Westinghouse، كان بإمكانه قطع 5  كيلو أمبير تحت 115  كيلو فولت، ولكنه كان يحتوي على ست غرف قطع متصلة على التوالي لكل قطب.

في عام 1957، طُورت تقنية النفخ لقواطع الدائرة الكهربائية التي تعمل بغاز _سادس فلوريد الكبريت (SF6 )، حيث تُستخدم الحركة النسبية لمكبس وأسطوانة متصلة بالجزء المتحرك لتوليد ارتفاع الضغط اللازم لتفجير القوس الكهربائي عبر فوهة مصنوعة من مادة عازلة. في هذه التقنية، يُحصل على ارتفاع الضغط بشكل أساسي عن طريق ضغط الغاز.

أنتجت شركة وستنجهاوس عام 1959 أول قاطع دائرة كهربائية عالي الجهد يعمل بغاز _سادس  فلوريد الكبريت (SF6) ذي قدرة عالية على قطع تيار قصر الدائرة. كان هذا القاطع، الموجود في خزان مؤرض (يُسمى خزانًا ميتًا)، قادرًا على قطع تيار يصل إلى 41.8 كيلو أمبير عند جهد 138  كيلو فولت (10000  ميجا فولت أمبير) و37.6  كيلو أمبير عند جهد 230  كيلو فولت (15000 ميجا فولت أمبير). كان هذا الأداء متميزًا بالفعل، إلا أن وجود ثلاث حجرات لكل قطب ومصدر الضغط العالي اللازم للانفجار (1.35 ميجا باسكال ) شكّلا عائقًا كان لا بد من تجاوزه في التطورات اللاحقة. 

أدت الخصائص الممتازة لغاز SF6 _إلى التوسع السريع لهذه التقنية في سبعينيات القرن الماضي وإلى استخدامها في تطوير قواطع الدائرة ذات القدرة العالية على القطع، حتى 800  كيلو فولت.

أدى الإنجاز الذي تحقق في عام 1983 تقريبًا لأول قاطع دائرة أحادي القطع بجهد 245  كيلو فولت وما يقابله من 420  كيلو فولت إلى 550  كيلو فولت و800  كيلو فولت، مع وجود 2 و3 و4 غرف لكل قطب على التوالي، إلى هيمنة قواطع الدائرة الكهربائية المصنوعة من غاز SF6 _في النطاق الكامل للجهود العالية.

يمكن تفسير نجاح قواطع الدائرة الكهربائية التي تعمل بغاز _SF6 بعدة خصائص :

• بساطة غرفة الفصل التي لا تحتاج إلى غرفة فصل مساعدة
• الاستقلالية التي توفرها تقنية البخاخ
• إمكانية الحصول على أعلى أداء، يصل إلى 63  كيلو أمبير، مع عدد أقل من غرف الفصل
• فترة راحة قصيرة من 2 إلى 2.5 دورة
• قدرة تحمل كهربائية عالية، مما يسمح بتشغيلها لمدة 25 عامًا على الأقل دون الحاجة إلى إعادة تأهيل.
• حلول مدمجة محتملة عند استخدامها في مفاتيح كهربائية معزولة بالغاز أو مفاتيح كهربائية هجينة
• مقاومات إغلاق مدمجة أو عمليات متزامنة لتقليل الجهد الزائد الناتج عن التبديل
• الموثوقية والتوافر
• مستويات ضوضاء منخفضة

أدى انخفاض عدد غرف الفصل لكل قطب إلى تبسيط كبير في تصميم قواطع الدائرة الكهربائية، بالإضافة إلى تقليل عدد الأجزاء والحلقات المانعة للتسرب المطلوبة. ونتيجةً لذلك، تحسنت موثوقية قواطع الدائرة الكهربائية، كما أكدت ذلك لاحقًا دراسات المجلس الدولي للأنظمة الكهربائية الكبيرة (CIGRE).

تُستخدم قواطع دوائر المولدات (GCB) للتوصيل بين المولد ومحول رفع الجهد. وتُستخدم عادةً عند مخرج المولدات عالية القدرة (من 30  إلى 1800 ميجا  فولت أمبير) لحمايتها بطريقة موثوقة وسريعة واقتصادية. تتميز هذه القواطع بقدرة تحمل تيار عالية (من 4  إلى 40  كيلو أمبير) وقدرة قطع عالية (من 50  إلى 275  كيلو أمبير).

تنتمي هذه القواطع إلى نطاق الجهد المتوسط، إلا أن قدرة تحمل جهد الاستعادة العابر المطلوبة وفقًا لمعيار IEC/IEEE 62771-37-013 تستلزم استخدام مبادئ قطع التيار المصممة خصيصًا لهذا الغرض. وقد طُوِّر تطبيقٌ خاص لتقنية النفخ الحراري على قواطع دوائر المولدات. كما تُستخدم تقنية النفخ الذاتي المذكورة أعلاه على نطاق واسع في قواطع دوائر مولدات غاز سادس فلوريد الكبريت (SF6) _، حيث يُشغَّل نظام التلامس بآلية زنبركية منخفضة الطاقة. يوضح الشكل أدناه مثالًا على هذا الجهاز؛ حيث تبلغ قدرة قاطع الدائرة هذا 17.5  كيلوفولت و63  كيلوأمبير.

إن قدرة قواطع الدائرة الكهربائية ذات الجهد العالي على قطع التيار عند حدوث قصر الدائرة لا يمكن إثباتها باستخدام مصدر واحد قادر على توليد الطاقة اللازمة. لذا، يُستخدم نظام خاص مع مولد كهربائي يوفر تيار القصر حتى انقطاع التيار، وبعد ذلك يقوم مصدر جهد بتطبيق جهد الاستعادة عبر أطراف قاطع الدائرة. تُجرى الاختبارات عادةً على طور واحد، ولكن يمكن إجراؤها أيضًا على ثلاثة أطوار ^{[ 2 ]} مع إمكانية التحكم في الطاقة بشكل طفيف.

ترتبط المشكلات التالية بقواطع الدائرة الكهربائية التي تعمل بغاز _SF6 :

تُصنّف قواطع الدائرة الكهربائية عادةً حسب مادة العزل المستخدمة فيها. قد تكون الأنواع التالية من قواطع الدائرة الكهربائية بديلاً لقواطع _SF6 .

• نفخ الهواء
• زيت
• مكنسة
• _ثاني أكسيد الكربون

بالمقارنة مع قواطع الدائرة الهوائية، يتميز تشغيل قواطع الدائرة التي تعمل بغاز سادس فلوريد الكبريت (SF6 ₎ بهدوء أكبر، ولا تنبعث منها غازات ساخنة أثناء التشغيل العادي. ولا يتطلب الأمر محطة هواء مضغوط للحفاظ على ضغط الهواء المضغوط. تسمح قوة العزل الكهربائي العالية للغاز بتصميم أكثر إحكامًا أو بقدرة قطع أكبر لنفس الحجم النسبي لقواطع الدائرة الهوائية. ويؤدي ذلك أيضًا إلى تقليل حجم ووزن قواطع الدائرة، مما يجعل الأساسات والتركيب أقل تكلفة. آليات التشغيل أبسط، والصيانة المطلوبة أقل، مع إمكانية إجراء المزيد من العمليات الميكانيكية بين عمليات الفحص أو الصيانة. ومع ذلك، يتطلب فحص غاز _سادس فلوريد الكبريت أو استبداله معدات خاصة وتدريبًا لمنع الانبعاثات العرضية. في درجات الحرارة الخارجية المنخفضة جدًا، وعلى عكس الهواء، يمكن أن يتحول غاز _سادس فلوريد الكبريت إلى سائل، مما يقلل من قدرة قاطع الدائرة على قطع تيارات الأعطال.

تحتوي قواطع الدائرة الكهربائية المملوءة بالزيت على كمية من الزيت المعدني. قد يحتوي قاطع الدائرة ذو الحد الأدنى من الزيت على مئات اللترات من الزيت عند جهد النقل؛ بينما قد يحتوي قاطع الدائرة ذو الخزان الرئيسي المملوء بالزيت على عشرات الآلاف من اللترات من الزيت. إذا تسرب هذا الزيت من قاطع الدائرة أثناء عطل، فإنه يشكل خطرًا حقيقيًا للحريق. كما أن الزيت سام لأنظمة المياه، لذا يجب احتواء أي تسربات بعناية فائقة.

تتميز قواطع الدائرة الكهربائية الفراغية بتوافر محدود وليست مصممة لفولتية النقل، على عكس قواطع SF ₆ المتوفرة حتى 800 كيلو فولت.

• قاطع الدائرة
• قاطع الفراغ