قواطع الدائرة الكهربائية (Circuit Breakers) هي أجهزة حماية تُستخدم في الأنظمة الكهربائية لفصل التيار الكهربائي تلقائيًا عند حدوث أعطال مثل التيارات الزائدة أو القصر الكهربائي (Short Circuit). تعمل القواطع على حماية المعدات الكهربائية والبنية التحتية من التلف، كما تضمن سلامة الأشخاص العاملين في بيئات الجهد العالي. تختلف أنواع القواطع الكهربائية وفقًا لجهد التشغيل والتيار المقدر وطريقة الفصل، مثل القواطع الهوائية (ACB)، وقواطع الزيت (OCB)، والقواطع المعزولة بالغاز (SF6)، وقواطع الفراغ (VCB). تعتبر القواطع من أهم وأكثر المعدات تكلفةً في منظومة القدرة، كونها قادرة على فصل تيارات عالية جدًا. على سبيل المثال، قاطع دائرة بجهد 252 كيلوفولت وتيار مقنن 4000 أمبير قد يكون له قدرة فصل لتيار قصر تصل إلى 50 كيلوأمبير، كما هو موضح في مواصفات قاطع LW43A-252 بالنقر هنا. بالإضافة إلى ذلك، قاطع آخر بجهد 145 كيلوفولت وتيار مقنن 3150 أمبير قد يكون له قدرة فصل لتيار قصر تصل إلى 40 كيلوأمبير، مثل قاطع LW36-145.

تُشير هذه الأمثلة إلى أن قدرة فصل تيار القصر تعتمد على تصميم القاطع ومعاييره الفنية، مع الالتزام بمعايير المنظمات الدوليه مثل IEC ذات الصلة لضمان الأداء الآمن والفعال. في هذا المنشور، سنتعرف على مكونات وتركيب قواطع الدائرة بشكلٍ عام، كما سنتطرق إلى أنواعها أنواعها حسب الجهد.

مكونات قاطع الدائرة الكهربائية:

يتكون القاطع الكهربائي من عدة أجزاء رئيسية تعمل معًا لحماية الدائرة الكهربائية وفصل التيار عند حدوث خلل:

1. الأقطاب الكهربائية (Contacts)
   • القطب الثابت (Fixed Contact): يظل ثابتًا داخل القاطع.
   • القطب المتحرك (Moving Contact): يتحرك للفصل أو التوصيل.
   • قطب القوس الكهربائي (Arcing Contact): يساعد في تقليل التآكل عن طريق التعامل مع القوس الكهربائي عند الفصل.
2. آلية إطفاء القوس الكهربائي (Arc Extinguishing System)
   • غرفة القوس (Arc Chute): توجه القوس وتساعد على إطفائه.
   • وسط الإطفاء (Extinguishing Medium): يمكن أن يكون هواء، زيت، غاز SF₆، أو فراغ حسب نوع القاطع.
3. آلية التشغيل (Operating Mechanism)
   • آلية الزنبرك (Spring Mechanism): تخزن طاقة لإغلاق القاطع بسرعة عند الحاجة (أكثر الأنواع شيوعًا).
   • آلية هيدروليكية (Hydraulic Mechanism): تستخدم ضغط الزيت لتشغيل القاطع.
   • آلية هوائية (Pneumatic Mechanism): تعتمد على ضغط الهواء لفصل وتوصيل الدائرة.
4. ملفات الفصل والتوصيل (Tripping & Closing Coils)
   • ملف الفصل (Tripping Coil): يفتح القاطع عند استلام إشارة عطل Fault من المرحلات.
   • ملف التوصيل (Closing Coil): يُستخدم لإغلاق القاطع عند الحاجة.
5. نظام الحماية والتحكم (Protection & Control System)
   • محولات التيار (Current Transformer – CT): تقيس التيار وترسله إلى المرحلات.
   • مرحلات الحماية (Protective Relays): تستشعر الأعطال وترسل إشارات لفتح القاطع.
   • مرحل منع الضخ (Anti-Pumping Relay): تمنع إعادة الإغلاق المستمر للقاطع عند وجود خطأ مستمر.
   • مرحل القفل (Lockout Relay): تمنع إعادة تشغيل القاطع حتى يتم فحصه يدويًا بعد حدوث خطأ كبير.
6. الهيكل والعزل (Housing & Insulation)
   • وسط العزل (Insulating Medium): مثل الهواء أو الغاز أو الزيت أو الفراغ لمنع انهيار العزل الكهربائي.
   • الغلاف الخارجي (Enclosure): يحمي المكونات الداخلية من العوامل البيئية.

أنواع قواطع الدائرة الكهربائية:

تعتمد أنواع القواطع الكهربائية على آلية عملها ووسيط إطفاء القوس الكهربائي، وتشمل الأنواع التالية:

• قاطع الدائرة الهوائي (Air Circuit Breaker – ACB)
  • يستخدم الهواء كوسيط لإطفاء القوس الكهربائي.
  • يُستخدم في الجهود المنخفضة والمتوسطة.
  • مناسب للتطبيقات الصناعية والأنظمة ذات الأحمال العالية.

    

• قاطع الدائرة المملوء بالزيت (Oil Circuit Breaker – OCB)
  • يعتمد على الزيت العازل لإطفاء القوس الكهربائي.
  • كان شائعًا في الماضي ولكنه أصبح أقل استخدامًا بسبب الحاجة إلى صيانة دورية.

    

• قاطع الدائرة المفرغ من الهواء (Vacuum Circuit Breaker – VCB)
• • يعتمد على الفراغ كوسيط لإطفاء القوس الكهربائي.
  • يُستخدم في الجهود المتوسطة وعالي الأداء من حيث العمر التشغيلي والصيانة المنخفضة.

    

• قاطع الدائرة المملوء بالغاز (SF₆ Circuit Breaker)
  • يستخدم غاز سداسي فلوريد الكبريت (SF₆) كوسيط إطفاء القوس.
  • يُستخدم في الجهود العالية وفوق العالية.
  • يتميز بكفاءة عالية وعزل ممتاز.

    

• قاطع الدائرة المصغر (Miniature Circuit Breaker – MCB)
  • يُستخدم لحماية الدوائر المنزلية والصناعية من تيارات الحمل الزائد والدوائر القصيرة.
  • لا يحتاج إلى صيانة ويعيد ضبط نفسه تلقائيًا.

    

• قاطع الدائرة ذو التيار المتبقي (Residual Current Circuit Breaker – RCCB)
  • يحمي الأشخاص من الصدمات الكهربائية عن طريق فصل التيار عند تسربه إلى الأرض.
  • يُستخدم في التطبيقات المنزلية والصناعية.

    

• قاطع الدائرة ذو الحماية المغناطيسية والحرارية (Molded Case Circuit Breaker – MCCB)
  • يُستخدم لحماية الأحمال ذات التيارات العالية مثل المحركات والمولدات.
  • يتمتع بآلية حماية حرارية للحمل الزائد ومغناطيسية للدوائر القصيرة.

    

معلومات إضافية حول قواطع الدائرة الكهربائية:

• التشغيل اليدوي والتلقائي: يمكن تشغيل القواطع يدويًا أو تلقائيًا بناءً على أوامر من أنظمة الحماية والتحكم.
• تصنيفات القواطع: يتم تصنيف القواطع الكهربائية وفقًا للجهد والتيار، مثل القواطع ذات الجهد المنخفض (LV) والجهد المتوسط (MV) والجهد العالي (HV).
• الاختبارات الدورية: لضمان كفاءة القاطع، يتم إجراء اختبارات دورية مثل اختبارات العزل، واختبارات التيار المقدر، واختبارات زمن الفصل.

الخاتمة:

تُعد قواطع الدائرة الكهربائية عنصرًا حيويًا في أنظمة الطاقة، حيث تضمن الحماية اللازمة للمعدات والبنية التحتية الكهربائية، مما يساعد على منع الأعطال وتقليل مخاطر التلف. ولهذا السبب، فإن إجراء الصيانة الدورية والتأكد من كفاءة عمل القواطع أمر بالغ الأهمية للحفاظ على استقرار وكفاءة النظام الكهربائي. لمزيد من المعلومات حول هذا الموضوع، يمكن الرجوع إلى المصادر التالية التي تقدمها منظمات دولية متخصصة في معايير وأنظمة الحماية الكهربائية:

• IEC 62271-100: High-voltage switchgear and controlgear – Part 100: Alternating current circuit-breakers.
• IEC 60947-2: Low-voltage switchgear and controlgear – Part 2: Circuit-breakers.
• IEEE Std C37.04-2018: IEEE Standard for Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers.
• IEEE Std C37.09-2018: IEEE Standard Test Procedure for AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis.
• IEEE Std C37.13-2015: IEEE Standard for Low-Voltage AC Power Circuit Breakers Used in Enclosures.
• NEMA AB 1-2020: Molded Case Circuit Breakers and Their Application.
• NEMA SG 4-2019: AC High-Voltage Circuit Breakers Rated on a Symmetrical Current Basis.
• Elmore, W. A., “Protective Relaying Theory and Applications,” 2003, CRC Press.
• Lewis Blackburn, J., “Protective Relaying: Principles and Applications,” 2015, CRC Press.