مدارشکن های خلاء چگونه کار می کنند و چرا استاندارد صنعتی برای حفاظت از ولتاژ متوسط ​​هستند؟

مدار شکن خلاء چیست و چگونه کار می کند؟

A مدار شکن خلاء (VCB) یک وسیله کلیدزنی و حفاظتی است که عمدتاً در سیستم های توزیع برق ولتاژ متوسط استفاده می شود - معمولاً در محدوده 1 کیلو ولت تا 38 کیلو ولت - که جریان های خطا را قطع می کند و مدارهای الکتریکی را با خاموش کردن قوس تشکیل شده بین کنتاکت های آن در داخل یک قطع کننده خلاء مهر و موم شده قطع می کند. اصل عملیات اساسی بر استحکام دی الکتریک استثنایی یک خلاء بالا (فشار زیر 10-4 mbar) است که تقریباً 8 تا 10 برابر بیشتر از هوا در فشار اتمسفر است. هنگامی که کنتاکت های بریکر تحت شرایط خطا یا سوئیچ از هم جدا می شوند، به دلیل تبخیر شدن مواد تماس، قوسی بین آنها ایجاد می شود. در محیط خلاء، این قوس بخار فلزی هیچ وسیله حمایتی برای حفظ آن ندارد - بخار به سرعت بر روی محافظ فلزی اطراف در داخل قطع کننده متراکم می شود و قوس در اولین عبور جریان طبیعی از صفر به طور تمیز خاموش می شود. کل فرآیند وقفه معمولاً کمتر از نیم سیکل فرکانس توان را به خود اختصاص می دهد.

قطع کننده خلاء قلب VCB است - یک پاکت سرامیکی یا شیشه به فلز با مهر و موم شده که حاوی یک جفت کنتاکت، یک محافظ قوس فلزی و یک مجموعه دم است که به تماس متحرک اجازه می دهد شکاف تماس کوچک (معمولاً 8 تا 12 میلی متر برای کاربردهای وقفه متوسط) را طی کند. از آنجایی که قطع کننده یک واحد کاملاً مهر و موم شده است، نیازی به تعمیر و نگهداری محیط قطع کننده ندارد، هرگز نیازی به پر کردن یا شارژ مجدد ندارد و تحت تأثیر شرایط جوی، رطوبت، ارتفاع یا آلودگی قرار نمی گیرد. این طراحی مهر و موم شده یکی از مهم ترین مزایای عملی فن آوری خلاء نسبت به قطع کننده های مدارهای قدیمی تر روغن یا انفجار هوا است که نیاز به نگهداری دوره ای رسانه های قطع کننده آنها و حساس به آلودگی دارند.

مزایای کلیدی مدارشکن های خلاء نسبت به سایر فناوری ها

قطع کننده های مدار خلاء در چهار دهه گذشته به دلایل فنی، عملیاتی و زیست محیطی، کلیدهای روغن، قطع کننده های هوا و قطع کننده های SF6 را در بازار ولتاژ متوسط جابجا کرده اند. درک این مزایا به مهندسان و مدیران دارایی کمک می کند تا هنگام تعیین تجهیزات حفاظتی برای نصب یا برنامه های جایگزین جدید، تصمیمات آگاهانه ای اتخاذ کنند.

• عمر مفید استثنایی و نگهداری کم: قطع کننده خلاء مهر و موم شده هیچ محیط قطع کننده مصرفی ندارد و در حین عملیات قطع خطا فقط کمترین فرسایش تماسی را متحمل می شود. یک قطع کننده وکیوم مدرن VCB برای عمر مکانیکی 10000 تا 30000 عملیات و عمر الکتریکی 100 تا 200 قطع اتصال کوتاه کامل رتبه‌بندی می‌شود - عملکردی بسیار فراتر از گزینه‌های نفتی یا انفجار هوا. تعمیر و نگهداری عمدتاً به بررسی مکانیسم عملکرد، روانکاری و اندازه‌گیری سایش تماسی محدود می‌شود، نه جایگزینی سیال یا جابجایی گاز که فناوری‌های قدیمی‌تر به آن نیاز دارند.
• بدون خطر آتش سوزی یا انفجار: بر خلاف کلیدهای مدار روغن - که حاوی حجم زیادی از روغن ترانسفورماتور هستند که خطر آتش سوزی و انفجار قابل توجهی را در شرایط خطا ایجاد می کنند - قطع کننده های خلاء حاوی مواد قابل اشتعال یا انفجاری نیستند. این امر، VCB ها را به انتخاب استاندارد برای نصب تابلو برق داخلی در ساختمان ها، پست های فرعی با زیرساخت های محدود اطفاء حریق و هر مکانی که عواقب انتشار نفت یا گاز شدید است تبدیل می کند.
• مزایای زیست محیطی نسبت به SF6: گاز هگزا فلوراید گوگرد (SF6) که به عنوان محیط قطع کننده در قطع کننده های مدار SF6 استفاده می شود، یک گاز گلخانه ای قوی با پتانسیل گرمایش جهانی تقریباً 23500 برابر CO2 در یک افق 100 ساله است. نشت و رسیدگی به پایان عمر تجهیزات SF6 مشمول مقررات سختگیرانه فزاینده ای در اروپا و سایر حوزه های قضایی است. قطع کننده های خلاء فاقد گازهای گلخانه ای هستند و در حین کار، نگهداری یا دفع، انتشار SF6 ایجاد نمی کنند.
• ابعاد و وزن فشرده: شکاف تماس کوچک مورد نیاز برای قطع خلاء - در مقایسه با محفظه‌های قوس بزرگ مورد نیاز برای طرح‌های انفجار نفت یا هوا - به قطع کننده‌های مدار خلاء اجازه می‌دهد تا در بسته‌های فشرده و سبک طراحی شوند. این یک مزیت قابل توجه در کاربردهای مقاوم سازی است که در آن قطع کننده جایگزین باید در ابعاد اتاقک های تابلو برق موجود قرار گیرد و در برنامه های پست های متحرک یا پیش ساخته که وزن و ردپای آن محدود است.
• وقفه سریع و مطمئن: قطع قوس در اولین جریان صفر و بازیابی سریع قدرت دی الکتریک در شکاف خلاء به قطع کننده های مدار خلاء عملکرد عالی قطعی را در طیف گسترده ای از سطوح جریان خطا، از جمله خطای خط کوتاه و وظایف سوئیچینگ خازنی که سایر فناوری های قطع کننده را به چالش می کشد، می دهد.

اجزای اصلی یک مدار شکن خلاء

یک مجموعه کامل قطع کننده مدار خلاء از چندین زیرسیستم یکپارچه تشکیل شده است که هر یک باید به طور قابل اعتمادی عمل کنند تا بریکر عملکرد حفاظتی خود را انجام دهد. درک این اجزا به مهندسان تعمیر و نگهداری کمک می کند تا مشکلات را تشخیص داده و روش های بازرسی را به درستی مشخص کنند.

قطع کننده خلاء

قطع کننده شامل تماس ثابت، کنتاکت متحرک متصل به یک مجموعه دمنده انعطاف پذیر و یک محافظ تراکم بخار فلزی است که شکاف تماس را احاطه کرده است. مواد تماس آلیاژهای مهندسی شده - معمولا مس - کروم (CuCr) برای کاربردهای ولتاژ متوسط ​​عمومی - برای ارائه رسانایی الکتریکی خوب، مقاومت در برابر جوش تحت جریان های اتصال کوتاه، و رفتار قوس کنترل شده که باعث دیونیزه شدن سریع می شود، انتخاب می شوند. مهر و موم های سرامیک به فلز یا شیشه به فلز که پوشش هرمتیک را تشکیل می دهند باید یکپارچگی خلاء را در طول عمر کامل قطع کننده، معمولاً 25 تا 30 سال حفظ کنند. یکپارچگی خلاء به طور دوره ای با استفاده از تست مقاومت با پتانسیل بالا یا دستگاه نظارت بر کیفیت خلاء تأیید می شود.

مکانیسم عملیاتی

مکانیسم عملیاتی، تماس متحرک بین موقعیت های باز و بسته را با نیرو و سرعت مورد نیاز برای بسته شدن و قطع شدن مطمئن هدایت می کند. سه نوع مکانیزم بر طراحی‌های مدرن VCB غالب است: مکانیسم‌های انرژی ذخیره‌شده با فنر (که در آن فنرهای پیچ‌دار توسط یک موتور شارژ می‌شوند یا به صورت دستی و آزاد می‌شوند تا بریکر کار کند)، مکانیسم‌های الکترومغناطیسی (با استفاده از یک محرک مغناطیسی که مستقیماً توسط تخلیه خازن هدایت می‌شود) و مکانیسم‌های محرک آهنربای دائم (PMA) که از جاذبه و دافعه برای موقعیت‌یابی مغناطیس‌کننده دائمی استفاده می‌کنند. مکانیزم های فنری بیشترین استفاده را دارند و عملکرد قابل اعتمادی را مستقل از نوسانات ولتاژ تغذیه ارائه می دهند. مکانیسم‌های مغناطیسی و PMA زمان‌های عملیاتی بسیار سریعی را ارائه می‌کنند و به تعمیر و نگهداری مکانیکی کمتری نیاز دارند، اما به ذخیره انرژی کافی در خازن بستگی دارند.

سیستم عایق

قطب های قطع کننده خلاء و قسمت های برق شکن با ترکیبی از عایق جامد از زمین و از یکدیگر عایق می شوند - کپسوله رزین اپوکسی قطع کننده و اجزای حامل جریان استاندارد در تابلو برق عایق جامد است - و عایق شکاف هوا در طرح های شکن نوع باز. سیستم عایق باید یکپارچگی دی الکتریک خود را تحت ولتاژ فرکانس توان نامی، ولتاژ ضربه رعد و برق (BIL) و ولتاژ سوئیچینگ برای طول عمر کامل تجهیزات در شرایط محیطی مورد انتظار حفظ کند.

رتبه بندی ها و مشخصات استاندارد برای VCB های ولتاژ متوسط

قطع کننده های مدار خلاء بر اساس مجموعه ای از درجه بندی های الکتریکی استاندارد شده مشخص می شوند که توانایی آنها را برای کار ایمن و قابل اطمینان در شرایط تعریف شده سیستم مشخص می کند. این رتبه‌بندی‌ها توسط IEC 62271-100 (استاندارد بین‌المللی اولیه برای قطع کننده‌های مدار AC بالاتر از 1 کیلو ولت)، IEEE C37.04 و استانداردهای ملی معادل آن ایجاد شده‌اند. جدول زیر مهمترین پارامترهای رتبه بندی و محدوده معمول آنها را برای VCB های ولتاژ متوسط ​​خلاصه می کند.

هنگام انتخاب یک VCB برای یک برنامه خاص، جریان قطع نامی اتصال کوتاه باید از حداکثر جریان خطای احتمالی در نقطه نصب تجاوز کند که از امپدانس سیستم در آن مکان محاسبه می‌شود. مشخص کردن یک بریکر با درجه قطعی ناکافی - حتی به صورت جزئی - یک نقص ایمنی جدی است: شکنی که نتواند عیبی را که با آن مواجه می شود قطع کند، خرابی مکانیکی فاجعه باری را تجربه می کند و ممکن است باعث بروز فلاش قوس شود. هنگام انتخاب درجه شکن، حاشیه ای حداقل 10 تا 20 درصد بالاتر از جریان خطای احتمالی محاسبه شده اعمال کنید.

کاربردهای معمولی و بخش‌های صنعت با استفاده از قطع کننده‌های مدار خلاء

کلیدهای مدار خلاء تکنولوژی کلیدی و حفاظتی غالب در شبکه های توزیع ولتاژ متوسط در تقریباً هر بخش صنعتی است که در ولتاژهای توزیع کار می کند. ترکیبی از قابلیت اطمینان، نگهداری کم و ویژگی‌های ایمنی، آنها را در محیط‌های مختلف از پست‌های شهری گرفته تا تأسیسات صنعتی دورافتاده، انتخاب ارجح می‌سازد.

• شبکه های توزیع آب و برق: پست های توزیع اولیه در ولتاژهای 11، 22 کیلوولت، و 33 کیلو ولت از VCB به طور گسترده برای حفاظت فیدر، سوئیچینگ بخش اتوبوس و حفاظت ترانسفورماتور استفاده می کنند. عمر عملیاتی بالا و نیازهای تعمیر و نگهداری پایین VCBها، هزینه مالکیت در شبکه‌های تاسیساتی را که ممکن است قطع کننده‌ها در پست‌های دوردست و بدون سرنشین با دسترسی نادر به تعمیر و نگهداری قرار داشته باشند، کاهش می‌دهد.
• توزیع برق صنعتی: تاسیسات صنعتی بزرگ - کارخانه‌های پتروشیمی، کارخانه‌های فولاد، کارخانه‌های سیمان، عملیات معدنی و مراکز داده - سیستم‌های توزیع ولتاژ متوسط را به کار می‌گیرند که از VCB برای حفاظت از فیدر موتور، سوئیچینگ ترانسفورماتور و کاربردهای اتصال اتوبوس استفاده می‌کنند. توانایی انجام عملیات سوئیچینگ مکرر بدون بدتر شدن عملکرد قطعی، به ویژه در سیستم های صنعتی که بارهای فرآیند به طور معمول تغییر می کنند، ارزشمند است.
• سیستم های قدرت کششی: پست های کششی راه آهن و مترو از قطع کننده های مدار خلاء برای حفاظت فیدر کشش AC در ولتاژ 25 کیلوولت استفاده می کنند. توانایی VCB در قطع بارهای القایی دشوار ارائه شده توسط موتورهای کششی و قابلیت اطمینان آن در محیط سخت پست‌های کششی - که با ارتعاشات محیطی بالا و نوسانات دمایی گسترده مشخص می‌شود - از مزایای حیاتی در این کاربرد است.
• تولید انرژی های تجدیدپذیر: سیستم‌های کلکتور مزرعه بادی، شبکه‌های ولتاژ متوسط نیروگاه فتوولتاییک خورشیدی و اتصالات سیستم ذخیره‌سازی انرژی باتری به‌طور گسترده از VCB برای حفاظت از فیدر و سوئیچینگ استفاده می‌کنند. ابعاد جمع و جور VCB های مدرن عایق جامد به ویژه در اتاق های الکتریکی با محدودیت فضا در برج های توربین بادی و اسکیدهای اینورتر در مقیاس ابزار مفید هستند.
• تاسیسات دریایی و دریایی: سکوهای نفت و گاز فراساحلی، FPSOها و کشتی‌های نیروی دریایی از سیستم‌های قدرت ولتاژ متوسط روی کشتی استفاده می‌کنند که عواقب آتش‌سوزی فاجعه‌بار است. عدم وجود روغن یا SF6 در قطع کننده های مدار خلاء، آنها را به انتخاب اجباری برای تابلو برق در این محیط های بحرانی آتش، مطابق با جامعه طبقه بندی و مقررات ایالت پرچم تبدیل می کند.

الزامات نگهداری و ارزیابی وضعیت برای VCB

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های تجاری کلیدهای خلاء، نیاز به تعمیر و نگهداری پایین آن‌ها در مقایسه با فناوری‌های قدیمی‌تر است، اما «تعمیر کم» به معنای «بدون تعمیر» نیست. یک برنامه بازرسی و آزمایش ساختاریافته برای تأیید اینکه آیا قطع کننده برای سرویس مناسب است و برای شناسایی خرابی قبل از اینکه منجر به قطعی خطا شود - خطرناک ترین حالت خرابی ممکن برای یک قطع کننده مدار، ضروری است.

بازرسی معمول بصری و مکانیکی

در فواصل زمانی تعیین شده توسط برنامه تعمیر و نگهداری سازنده - معمولاً هر 1 تا 3 سال یا در تعداد معینی از عملیات - بریکر باید از نظر علائم آسیب خارجی، آلودگی سطوح عایق، خوردگی پایانه ها و سخت افزار، و عملکرد صحیح کلیدهای کمکی و اینترلاک بررسی شود. مکانیسم عملیاتی باید از طریق چندین چرخه باز و بسته شدن و باز شدن زمان های بسته شدن و باز شدن در برابر محدودیت های مشخص شده سازنده با استفاده از ابزار زمان بندی مناسب تأیید شود. نقاط روغن‌کاری مکانیزم باید طبق برنامه زمانبندی انجام شود و فقط از انواع روان‌کننده‌های مشخص‌شده توسط سازنده استفاده شود - روان‌کننده‌های نادرست می‌توانند به مهر و موم آسیب برسانند یا روی سطوح عایق مهاجرت کنند.

تست یکپارچگی خلاء

یکپارچگی خلاء قطع کننده باید به صورت دوره ای بررسی شود زیرا یک نشتی تدریجی - غیر قابل مشاهده بدون آزمایش - باعث می شود خلاء به حدی کاهش یابد که قطع کننده دیگر نتواند به طور قابل اعتماد جریان خطا را قطع کند. دو روش آزمایش در این زمینه مورد استفاده قرار می گیرد: آزمایش مقاومت در برابر ولتاژ بالا، که در آن ولتاژی بالاتر از ولتاژ عملیاتی معمولی (اما زیر سطح مقاومت ضربه ای) در سراسر کنتاکت های باز اعمال می شود و عدم وجود تخلیه یا جرقه، خلاء کافی را تأیید می کند. و مانیتورهای کیفیت خلاء، ابزارهای الکترونیکی که انحراف مغناطیسی مشخصه ذرات باردار در قطع کننده را تشخیص می‌دهند که تنها زمانی رخ می‌دهد که فشار خلاء بالاتر از یک مقدار آستانه کاهش یابد. هر دو روش در IEC 62271-100 و راهنمای تعمیر و نگهداری سازنده توضیح داده شده اند.

ارزیابی فرسایش تماسی

هر عملیات قطع خطا مقدار کمی از مواد را از سطوح تماس فرسایش می دهد و به تدریج حرکت تماس را به حالت بسته کاهش می دهد. اکثر VCB ها دارای یک نشانگر سایش تماس هستند - یک گیج یا علامت مکانیکی روی اتصال عملیاتی که مسیر تماس باقی مانده را نشان می دهد - که به پرسنل تعمیر و نگهداری اجازه می دهد بدون جدا کردن قطع کننده، بررسی کنند که کنتاکت ها به حد فرسایش پایان عمر نرسیده اند. هنگامی که مسیر تماس به حد سایش رسید، قطع کننده باید تعویض شود، زیرا عملکرد فراتر از حد سایش، فاصله خلاء را به کمتر از مقدار مورد نیاز برای قطع خطای قابل اطمینان کاهش می دهد.

انتخاب مدار شکن خلاء مناسب برای برنامه شما

انتخاب صحیح VCB مستلزم ارزیابی سیستماتیک پارامترهای سیستم الکتریکی، وظیفه عملیاتی شکن، محیط نصب و استانداردهای قابل اجرا است. چک لیست زیر بحرانی ترین پارامترهای انتخابی را پوشش می دهد که باید قبل از تعیین قطع کننده مدار خلاء تعیین شوند.

• ولتاژ سیستم و انتخاب ولتاژ نامی: ولتاژ نامی بریکر باید از بالاترین ولتاژی که می تواند در محل نصب تحت هر شرایط عادی یا غیرعادی سیستم ظاهر شود، از جمله ولتاژ بدون بار ترانسفورماتور و اضافه ولتاژهای گذرا، برآورده شود یا از آن فراتر رود. برای سیستم های اسمی 11 کیلو ولت، یک قطع کننده با ولتاژ 12 کیلو ولت انتخاب استاندارد است. برای سیستم های 33 کیلوولت، یک قطع کننده نامی 36 کیلوولت یا 40.5 کیلوولت مناسب است.
• جریان اتصال کوتاه احتمالی: حداکثر جریان خطای احتمالی در نقطه نصب را از داده‌های امپدانس سیستم محاسبه کنید، و تمام مشارکت‌های منابع برق، موتورها و ژنراتورها را محاسبه کنید. یک قطع کننده با جریان قطع نامی اتصال کوتاه حداقل 10 تا 20 درصد بالاتر از این مقدار محاسبه شده انتخاب کنید تا حاشیه ایمنی کافی را فراهم کنید.
• جریان بار معمولی: جریان نامی نامی قطع کننده باید از حداکثر جریان بار در نقطه نصب تحت همه شرایط عملیاتی عادی، از جمله سهم هجوم ترانسفورماتور و راه اندازی موتور در بارگذاری سیستم، تجاوز کند. درجه بندی حرارتی ممکن است برای نصب در محیط های با دمای بالای محیط بالاتر از دمای مرجع استاندارد 40 درجه سانتیگراد مورد نیاز باشد.
• طبقه بندی وظیفه سوئیچینگ: تعیین کنید که آیا بریکر باید وظایف کلیدزنی خاصی را انجام دهد - سوئیچینگ بانک خازن، سوئیچینگ راکتور، سوئیچینگ موتور، یا سوئیچ ژنراتور - که الزامات اضافی فراتر از وظیفه قطع خطای استاندارد را تحمیل می کند. IEC 62271-100 وظایف آزمایشی خاصی را برای هر یک از این کاربردهای خاص تعریف می‌کند، و بریکر انتخابی باید برای وظیفه‌ای که انجام می‌دهد آزمایش نوع و رتبه‌بندی شود.
• مکانیسم عملیاتی و ولتاژ کنترل: نوع مکانیزم عملکرد - فنر، مغناطیسی یا PMA - را برای برنامه مناسب انتخاب کنید، و ولتاژ کنترل سیم پیچ های بسته شدن و قطع را برای مطابقت با منبع کمکی DC یا AC موجود در محل نصب مشخص کنید. تأیید کنید که مکانیسم می‌تواند تعداد مورد نیاز عملیات باز کردن بسته را در ساعت برای برنامه‌های بسته شدن مجدد خودکار انجام دهد، بدون اینکه از چرخه کار نامی مکانیسم تجاوز کند.
• شرایط محیطی و نصب: برای کاربردهای تابلو برق داخلی در محیط های تمیز و با دمای کنترل شده، VCB های استاندارد داخلی مناسب هستند. برای کاربردهای در فضای باز، نصب تابلو برق روی لنت، یا مکان‌هایی با سطوح آلودگی، رطوبت یا آلودگی بالا، شکن‌هایی را با درجه‌بندی حفاظتی مناسب محفظه (IP54 یا بالاتر)، بخاری‌های ضد تراکم و سیستم‌های عایق رتبه‌بندی شده برای کلاس شدت آلودگی محل نصب مشخص کنید.

قطع کننده های مدار خلاء موقعیت خود را به عنوان فناوری انتخابی برای حفاظت از ولتاژ متوسط ​​و سوئیچینگ از طریق ترکیبی از مزایای عملکرد قابل اثبات، مزایای ایمنی و اقتصاد هزینه چرخه عمر تثبیت کرده اند که فناوری های رقیب نمی توانند در وسعت کامل کاربردهای ولتاژ متوسط ​​مطابقت داشته باشند. تعیین درجه بندی صحیح، نوع مکانیزم و قابلیت وظیفه ویژه برای هر نصب - و نگهداری تجهیزات مطابق با یک برنامه تعمیر و نگهداری ساختاریافته و هماهنگ با سازنده - تضمین می کند که شکن قابلیت اطمینان حفاظت و عمر مفیدی را که سرمایه گذاری نشان می دهد ارائه می دهد.