ما الذي يحمي المنازل من التيار الكهربائي الكبير

ما الذي يحمي المنازل من التيار الكهربائي الكبير، قاطع التيار أو قاطع الدارة (وجمعها القواطع الكهربائية)، هو مفتاح أمان كهربائي يعمل تلقائيٌا لحماية الدوائر الكهربائية (من محركات كهربائية ووصلات منزلية وخطوط القدرة طويلة المدى وغيرها) من الضرر الناتج عن مرور تيار كهربائي عال جداً. وعلى عكس المصهر الذي يجب استبداله بعد أن يعمل لمرة واحدة، فإن القاطع يمكن إعادة ضبطه إما يدويًا أو تلقائيًا لاستعادة الوظائف الطبيعية وضمان استمرار تشغيل الدائرة. قد يمر التيار الكهربائي العالي في الدائرة الكهربائية إما نتيجة عطل في الدائرة أو نتيجة عامل خارجي إضافي مثل البرق.

تصنع قواطع الدائرة بأحجام مختلفة، بدءًا من الأجهزة الصغيرة التي تحمي الدوائر منخفضة التيار أو الأجهزة المنزلية الفردية إلى المفاتيح الكهربائية الأكبر المصممة لحماية الدوائر عالية الجهد التي تغذي مدن بأكملها. الغرض الأساسي من قاطع الدائرة أو المصهر هو فصل الطاقة تلقائيًا عن نظام فيه خلل، مما يوفر حماية ضد التيار الزائد. يشار إلى هذه الوظيفة بشكل عام باسم OCPD (جهاز الحماية من التيار الزائد).

يصمم 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.

تكون 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

عند قطع التيار، يتولد قوس كهربائي وبالتالي 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:

• تطويل / انحراف القوس الكهربائي.
• التبريد الشامل (في غرف الطائرة).
• التقسيم إلى أقواس جزئية.
• التبريد لدرجة الصفر (تنفتح أطراف التلامس عندما يكون زمن التيار بصفر وتمر الموجة المترددة، وينقطع تيار اللاحمل عند زمن الفتح. وتردد عبور الموجة عند الصفر يساوي مرتين من تردد الخط، ويساوي 100 مرة لكل ثانية عند 5 هرتز و120 مرة عند 60 هرتز).
• توصيل المكثفات على التوازي مع أطراف التلامس في دوائر التيار المستمر.

وأخيرا، بمجرد إزالة الخطأ، يتم غلق أطراف التلامس مرة أخرى لإعادة الطاقة للدائرة المفصولة.

أنواع قواطع التيار

وحدة قاطع تيار بقيمة 1250 أمبير مصنعة بواسطة شركة ABB. خصائص القطع موضحة على الوجه الأمامي للوحدة.

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

قاطع التيار منخفض الجهد

الأنواع منخفضة الجهد (أقل من 1000 VAC) شائعة في التطبيقات المنزلية، التجارية والصناعية وتشمل:

• قاطع التيار المصغر (MCB) والذي تياره الكامل لا يتعدى 100 أمبير. وخصائص القطع عادة تكون غير مظبوطة أو مهيأة ويشمل عمليات حرارية أو عمليات مغناطيسية حرارية.

هناك 3 أنواع رئيسية لقاطع التيار منخفض الجهد:

1. النوع B يقطع ما بين 3 إلى 5 مرات من تيار الحمل الكامل.
2. النوع C يقطع ما بين 5إلى 10 مرة من تيار الحمل الكامل.
3. النوع D يقطع ما بين 10 إلى 20 مرة من تيار الحمل الكامل.

في المملكة المتحدة فإن كل قواطع التيار منخفضة الجهد يتم اختيارهم طبقا لـ BS 7671.

• التيارالكامل لقاطع التيار المصبوب يصل إلى 2500 أمبير. والتشغيل به يكون حراري أو مغناطيسي حراري. ويتم ظبط تيار القطع في المعدلات العالية.
• قاطع التيار منخفض الجهد يكون متعدد المستويات في لوحات توزيع الجهد المنخفض.

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، والذي يتم اخماده كل نصف دورة. ويحتوي قاطع التيار المستمر على ملفات تقوم بتوليد مجال مغناطيسي والتي 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:

1. رافعة مشغل ميكانيكي وتستخدم في قطع واعادة توصيل الدائرة الكهربائية يدويا. وأيضا الإشارة إلى حالة قاطع التيار.
2. إليه المشغل الميكانيكي والتي تقوم بدفع أطراف التلامس على التجمع أو الابتعاد عن بعضها.
3. مفاتيح تسمح بمرور التيار عند الإتصال أو بقطعه عند الانفصال.
4. أطراف التلامس.
5. شريط ثنائي المعدن يفصل أطراف التلامس في فترة زمنية وجيزة.
6. مرود المعايرة ويسمح للشركة المصنعة بظبط تيار القطع للجهاز.
7. ملف كهربائي يفصل أطراف التلامس بسرعة عند التعرض لتيارات عالية.
8. مفرق (مقسم) القوس الكهربائي.

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 باستخدام 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 والتي 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، والتي تقوم بقطع التيارات العالية بسرعة وتسمح بزيادة تحميل قليلة.وفي 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 خطوط التيار المستخدمة في القطع معا. ويعتبر قاطع التيار الشائع ذو خطين من الأجهزة المعروفة بأنظمة الجهد 120 فولت / 240 فولت.

يستخدم قاطع التيار ذو خطين أو 4 خط 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 التيار متوسط الجهد

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 التي 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:

• قواطع تيار تستخدم الفراغ والتيار المقنن لها 6.300 أمبير وأعلى بالنسبة لقواطع تيار المولد. هذه القواطع تقطع التيار بإخماد القوس الكهربائي داخل حاوية فارغة. ويتم تصميمها لعمر افتراضي أكبر حيث تكون المسافة الفاصلة بين نقاط التلامس من 6 إلى 10 ملم. ويتم إلحاق تلك القواطع بجهود تصل إلى 40.5 كيلو فولت، والتي تتوافق بصعوبة مع مدى الجهود المتوسطة بأنظمة الطاقة. وتنوي قواطع التيار المستخدمة للفراغ بأن يكون لها عمر افتراضي كبير بتعديل قواطع التيار التي تستخدم الهواء كوسط عازل.
• قواطع تيار تستخدم الهواء والتيار المقنن لها 6.300 أمبير أعلى بالنسبة لقواطع تيار المولد. ويتم ظبط خصائص القطع بحيث تشمل عقبات وتأخيرات قطع معروفة. وعادة يتم التحكم بعا إلكترونيا، بالرغم من أن بعض النماذج يتم التحكم فيها بواسطة معالج دقيق داخل وحدة قطع إلكترونية متكاملة. وغالبا تستخدم في توزيع الطاقة داخل المحطات الصناعية الكبرى، حيث تصمم القواطع لشد الإطار المحيط بها لتسهيل الصيانة.
• قاطع التيار الذي يستخدم غاز سداسي فلوريد الكبريت يقوم بإخماد القوس الكهربائي داخل غرفة مملوءة بغاز سداسي فلوريد الكبريت.

قاطع التيار عالي الجهد

يتم حماية شبكات النقل الكهربائي باستخدام 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:

• النفط المنقول
• الهواء المضغوط
• الفراغ
• غاز سداسي فلوريد الكبريت
• غاز ثاني أكسيد الكربون

وتستخدم معظم القواطع الحديثة غاز سداسي فلوريد الكبريت لإخماد القوس الكهربائي نظرا للتكلفة والظروف 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 أبريل بالعام التالي.

يمكن لقواطع التيار عالية الجهد المستخدمة في نظم النقل السماح تيار 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.

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 إنتاج 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 الاعتمادية، 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 الاعتمادية، 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.

قواطع أخرى

تستخدم أنواع أخرى من القواطع للحماية من الأخطاء الأرضية الصغيرة جدا وتشمل:

• قاطع التيار المنزلي (RCD): يحدد عدم إتزان التيار ولكنه لا يوفر حماية ضد زيادة التيار.
• قاطع التيار المنزلي مع حماية ضد زيادة التيار (RCBO): يدمج بين خصائص قاطع التيار المنزلي و قاطع التيار منخفض الجهد. في الولايات المتحدة الأمريكية وكندا، أجهزة تركيب الوحدة التي تحتوي على حماية ضد الأخطاء الأرضية و زيادة التيار تدعى قواطع الأخطاء الأرضية، وهي عبارة عن أجهزة توفر حماية وقطع للأخطاء الأرضية (ليست حماية ضد زيادة التحميل).
• قاطع التيار الأرضي المسرب (ELCB): هذا النوع يحدد التيار في السلك الأرضي مباشرة أكثر من تحديد عدم الإتزان. ولم يعد يتم تركيبه في الأجهزة الحديثة لأنه لا يستطيع تحديد الظروف الخطيرة والتي يعود بها التيار إلى الأرض بواسطة طريق آخر فمثلا من خلال انسان واقف على الأرض أو خلال أنابيب المياه.
• معيد الغلق (ريكلوزر): نوع من قاطع التيار والذي يغلق تلقائيا بعد تأخير معين. ويستخدم في أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية لمنع الأخطاء ذات المدة القصيرة من التسبب في خروج وحدات.
• المصهر المتعدد: جهاز صغير يتم وصفه غالبا بمصهر إعادة بدأ أوتوماتيكي أكثر من قاطع تيار.

ما الذي يحمي المنازل من التيار الكهربائي الكبير

لحماية المنازل من التيار الكهربائي الكبير أو الانفجارات الكهربائية، تتم استخدام عدة أنظمة وأجهزة. هنا بعض العناصر التي تساهم في حماية المنازل:

1. قواطع الدوائر الكهربائية: تعمل قواطع الدوائر الكهربائية على قطع تيار الكهرباء عند حدوث زيادة كبيرة في التيار أو حدوث خلل في الدائرة الكهربائية. هذا يمنع حدوث تيار كهربائي زائد يؤدي إلى انفجارات أو حرائق.
2. أجهزة حماية الطفرة (Surge Protectors): تقوم أجهزة حماية الطفرة بتوفير حماية ضد التغيرات الكهربائية الحادة مثل الصواعق أو الطفرات في التيار الكهربائي. تعمل هذه الأجهزة على تقليل تأثير هذه الطفرات وتوجيهها بعيدًا عن الأجهزة الكهربائية في المنزل.
3. أرضية الكهرباء (Grounding): يتم توصيل الأجهزة الكهربائية والأنظمة الكهربائية في المنزل بنظام الأرضية لتوفير مسار لتصريف التيار الكهربائي الزائد. هذا يساعد في حماية المنزل من ارتفاع الجهد ويمنع حدوث صدمات كهربائية.
4. حماية الدوائر الكهربائية: يمكن استخدام واقيات الدوائر الكهربائية (Circuit Breakers) والمفاتيح الأرضية لحماية الدوائر الكهربائية من تيار الكهرباء الزائد. تقوم هذه الأجهزة بقطع التيار عند حدوث زيادة في التيار الكهربائي لحماية الأسلاك والأجهزة الكهربائية.
5. توجيه الأسلاك بشكل صحيح: يجب توجيه وتركيب الأسلاك الكهربائية في المنزل بشكل صحيح ومناسب. يجب تجنب تمرير الأسلاك تحت السجاد أو بين الأثاث وتجنب التجاوز عن الحدود الأمانية المحددة لقدرة التيار الكهربائي.

تهدف هذه الإجراءات والأجهزة إلى حماية المنازل من التيار الكهربائي الكبير والحد من المخاطر المحتملة للانفجارات الكهربائية والحرائق. ومع ذلك، يُنصح بأن يتم تنفيذ وصيانة الأنظمة الكهربائية بواسطة فنيين مؤهلين لضمان السلامة الكهربائية الشاملة للمنزل.