بریکرهای مدار خلاء توضیح داده شده: چگونه کار می کنند و چرا

شبکه های برق مدرن نیازمند تجهیزات سوئیچینگ و حفاظتی هستند که می توانند جریان های خطا را به سرعت، قابل اطمینان و مکررا قطع کنند - بدون تعمیر و نگهداری بیش از حد یا اثرات زیست محیطی. قطع کننده های مدار خلاء (VCB) دقیقاً به این دلیل که تمام این نیازها را برآورده می کنند، به فناوری غالب برای تابلوهای ولتاژ متوسط ​​تبدیل شده اند. قطع کننده های مدار خلاء که در پست های برق، کارخانه های صنعتی، ساختمان های تجاری و تاسیسات انرژی های تجدیدپذیر در سراسر جهان یافت می شوند، نشان دهنده یک فناوری بالغ و در عین حال به طور مداوم در حال پیشرفت هستند که مهندسان برق، مدیران تاسیسات و اپراتورهای شبکه روزانه به آن تکیه می کنند. این مقاله نحوه عملکرد آنها را توضیح می دهد، چه چیزی آنها را نسبت به جایگزین ها برتری می دهد و چگونه آنها را به طور موثر اعمال و نگهداری می کند.

مدار شکن خلاء چیست و چگونه کار می کند؟

A مدار شکن خلاء نوعی قطع کننده مدار است که در آن خاموش کردن قوس - فرآیند خاموش کردن قوس الکتریکی که هنگام جدا شدن تماس ها تحت بار ایجاد می شود - در داخل یک قطع کننده خلاء مهر و موم شده انجام می شود. قطع کننده خلاء قلب دستگاه است: یک پوشش سرامیکی یا شیشه ای که فشار داخلی تقریباً 10-6 تا 10-4 mbar را حفظ می کند، سطح خلاء بسیار شدیدتر از آنچه که یک پمپ مکانیکی به تنهایی می تواند در تنظیمات صنعتی معمولی به دست آورد.

هنگامی که بریکر یک سیگنال قطع را دریافت می کند - چه از یک رله حفاظتی که خطا را تشخیص می دهد یا از یک عملکرد دستی - یک مکانیسم شارژ فنری، کنتاکت متحرک را از تماس ثابت داخل قطع کننده خلاء دور می کند. همانطور که کنتاکت ها شروع به جدا شدن می کنند، جریان به طور خلاصه از طریق یک قوس بخار فلزی که از خود ماده تماس تشکیل می شود به جریان می افتد. از آنجایی که عملاً هیچ مولکول گازی در خلاء برای حفظ یونیزاسیون وجود ندارد، این قوس فقط به عنوان پلاسمای فلز تبخیر شده وجود دارد. در تقاطع جریان طبیعی صفر - نقطه هر 8.3 میلی ثانیه در یک سیستم 60 هرتز، یا هر 10 میلی ثانیه در یک سیستم 50 هرتز - قوس خاموش می شود و قدرت دی الکتریک شکاف خلاء تقریباً بلافاصله بهبود می یابد. نتیجه قطع موفقیت‌آمیز جریان در اولین یا دومین جریان صفر پس از جداسازی تماس است که به قطع کننده‌های خلاء سریع‌ترین زمان‌های قطع را در میان هر فناوری سوئیچینگ می‌دهد.

خود کنتاکت‌ها معمولاً از آلیاژ مس-کروم ساخته می‌شوند، ماده‌ای که به‌طور خاص برای توانایی آن در تولید یک قوس منتشر به جای یک قوس متمرکز انتخاب شده است. یک قوس پراکنده انرژی را به طور مساوی در سطح تماس توزیع می کند، فرسایش را به حداقل می رساند و عمر تماس را تا ده ها هزار عملیات قبل از نیاز به تعویض افزایش می دهد.

اجزای کلیدی یک مدار شکن خلاء

درک اجزای مجزا که یک VCB را تشکیل می دهند به روشن شدن ویژگی های عملکرد و الزامات نگهداری آن کمک می کند. یک مجموعه کامل قطع کننده مدار خلاء متشکل از چندین زیر سیستم یکپارچه است که با هم کار می کنند.

قطع کننده خلاء

قطع کننده خلاء یک واحد مهر و موم شده هرمتیک شامل کنتاکت های ثابت و متحرک، یک دم فلزی است که به تماس متحرک اجازه می دهد تا با حفظ آب بند خلاء حرکت کند، و یک محافظ فلزی که از رسوب بخار فلز بر روی پوشش عایق در طول قوس الکتریکی جلوگیری می کند. این پوشش از شیشه سرامیک آلومینا یا بوروسیلیکات ساخته شده است، موادی که برای مقاومت در برابر گازهای خروجی انتخاب شده اند - به این معنی که آنها گازهای به دام افتاده را در شرایط خلاء بالا آزاد نمی کنند که باعث کاهش فشار داخلی در طول زمان می شود. یک قطع کننده خلاء که به درستی تولید شده باشد، سطح خلاء نامی خود را برای کل عمر سرویس شکن، معمولاً 20 تا 30 سال حفظ می کند.

مکانیسم عملیاتی

مکانیسم عملیاتی انرژی را در فنرها ذخیره می کند - یا یک فنر بسته شونده یا فنرهای بسته و باز کننده جداگانه - که انرژی خود را برای به حرکت درآوردن حرکت تماس در هنگام تحریک آزاد می کند. مکانیسم‌های شارژ فنری ترجیح داده می‌شوند زیرا بدون توجه به تغییرات ولتاژ کنترل، سرعت تماس سریع و ثابتی را ارائه می‌دهند. برخی از طرح‌های مدرن از محرک‌های مغناطیسی به جای فنر استفاده می‌کنند، از یک آهنربای دائمی برای نگه‌داشتن تماس‌ها در حالت باز یا بسته و تخلیه خازن برای جابه‌جایی بین حالت‌ها استفاده می‌کنند که عملکرد سریع‌تر و قطعات مکانیکی کمتری را در معرض سایش قرار می‌دهند.

سیستم عایق و مسکن

قطع کننده و قطعات زنده در یک ساختار عایق ساخته شده از رزین اپوکسی ریخته گری پشتیبانی می شوند که عایق بندی فاز به فاز و فاز به زمین را فراهم می کند. محفظه بیرونی اکثر VCB های ولتاژ متوسط ​​یک شاسی کششی فولادی یا فولادی ضد زنگ است که به بریکر اجازه می دهد تا برای تست و نگهداری بدون قطع برق مدارهای مجاور، به داخل و خارج از اطاقک تابلو برق وارد شود.

رتبه بندی ولتاژ و جریان: جایی که بریکرهای خلاء اعمال می شوند

کلیدهای مدار خلاء در درجه اول یک فناوری ولتاژ متوسط هستند. محدوده کاربرد استاندارد آنها از 3.6 کیلو ولت تا 40.5 کیلو ولت است که سطوح ولتاژ توزیع را پوشش می دهد که به طور گسترده در پست های ثانویه برق، کارخانه های صنعتی و تابلو برق تاسیسات تجاری استفاده می شود. زیر این محدوده، قطع کننده های مدار قالبی و هوا مقرون به صرفه تر هستند. بالاتر از آن، قطع کننده های عایق گاز SF6 برای کاربردهای انتقال ولتاژ بالا بالای 72.5 کیلو ولت غالب باقی می مانند، اگرچه با ادامه پیشرفت فناوری قطع کننده خلاء، مرز به تدریج به سمت بالا تغییر می کند.

جریان نامی پیوسته برای VCB های ولتاژ متوسط ​​معمولاً از 630 A تا 4000 A اجرا می شود، در حالی که جریان قطع کننده اتصال کوتاه نامی - حداکثر جریان خطا که قطع کننده می تواند به طور ایمن قطع کند - بسته به طراحی از 16 کیلو آمپر تا 63 کیلو آمپر متغیر است. جدول زیر رتبه بندی های رایج VCB و زمینه های کاربردی معمول آنها را خلاصه می کند:

مزایای مدارشکن های خلاء نسبت به فناوری های رقیب

قطع کننده های مدار خلاء چند دهه پیش در کاربردهای ولتاژ متوسط جایگزین کلیدهای مدار روغن و قطع کننده های مدار انفجار هوا شدند، و آنها همچنان در چندین بعد مهم از جایگزین های SF6 بهتر عمل می کنند. درک این مزایا توضیح می دهد که چرا VCB ها به انتخاب پیش فرض برای اکثر تاسیسات ولتاژ متوسط ​​جدید در سطح جهانی تبدیل شده اند.

• ایمنی محیط زیست: قطع کننده های خلاء فاقد گاز یا روغن خطرناک هستند. SF6 (هگزا فلوراید گوگرد)، که در رقبای شکن های عایق گاز استفاده می شود، پتانسیل گرمایش جهانی 23500 برابر CO2 دارد و در اروپا، آمریکای شمالی و جاهای دیگر تحت کنترل های نظارتی سختگیرانه فزاینده ای قرار دارد. VCB ها هیچ مسئولیت زیست محیطی معادلی ندارند، و آنها را به فناوری ترجیحی برای سازمان هایی با تعهدات پایدار تبدیل می کند.
• نیازهای تعمیر و نگهداری کم: بدون روغن برای تخریب، بدون فشار گاز برای نظارت، و کنتاکت های طراحی شده برای 10000 تا 30000 عملیات مکانیکی، قطع کننده های خلاء به حداقل تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده نیاز دارند. بررسی‌های معمول شامل بررسی وضعیت شارژ فنر مکانیزم، بازرسی سطوح عایق، و آزمایش دوره‌ای مقاومت تماس است - کارهایی که اغلب می‌توانند بدون خارج کردن بریکر از سرویس انجام شوند.
• ابعاد فشرده: اندازه فیزیکی کوچک قطع کننده خلاء در مقایسه با تجهیزات نفت یا گاز معادل، این امکان را فراهم می کند که تابلو برق مبتنی بر VCB در اطاقک های فشرده و محصور شده فلزی مناسب برای نصب در مکان های دارای محدودیت فضا مانند پست های شهری، زیرزمین ساختمان ها و سکوهای دریایی طراحی شود.
• وقفه سریع خطا: بازیابی دی الکتریک تقریباً لحظه ای شکاف خلاء پس از جریان صفر به VCB ها اجازه می دهد تا جریان های خطا را در یک تا دو سیکل قطع کنند و مدت زمان انرژی خطا را محدود کرده و استرس مکانیکی و حرارتی روی کابل ها، ترانسفورماتورها و سیستم های اتوبوس متصل به مدار خطا را کاهش دهند.
• بدون خطر آتش سوزی: برخلاف کلیدهای مدار روغن، که در صورت گرم شدن بیش از حد روغن یا خرابی فاجعه بار مخزن، خطر آتش سوزی و انفجار را ایجاد می کنند، بریکرهای خلاء حاوی مواد قابل اشتعال نیستند. این امر آنها را برای نصب در داخل ساختمان های اشغالی و در محیط های حساس به آتش بدون نیاز به چاله های مهار روغن یا دیوارهای انفجاری مناسب می کند.
• عمر طولانی خدمات: یک مدارشکن خلاء که به خوبی نگهداری می شود می تواند به مدت 25 تا 30 سال با جایگزینی قطع کننده خلاء تقریباً در اواسط عمر خود در خدمت بماند و هزینه کل چرخه عمر را در مقابل جایگزین هایی که نیاز به تعمیر و نگهداری عمده مکرر دارند بسیار رقابتی می کند.

محدودیت ها و چالش هایی که باید از آنها آگاه بود

هیچ فناوری بدون محدودیت نیست و قطع کننده های مدار خلاء نیز از این قاعده مستثنی نیستند. درک محدودیت‌های آنها برای طراحی صحیح برنامه و سیستم مهم است.

مهم ترین محدودیت فنی VCB ها تمایل آنها به تولید جهش ولتاژ - به نام افزایش ولتاژ یا محدود کردن اضافه ولتاژ - هنگام تعویض جریان های القایی کوچک مانند جریان های مغناطیسی ترانسفورماتور بدون بار یا جریان های بدون بار موتور است. هنگامی که یک VCB جریان را قبل از جریان طبیعی صفر قطع می کند (خرد جریان)، انرژی ذخیره شده در اندوکتانس مدار به طور ناگهانی به خازن سرگردان مدار وارد می شود و یک اضافه ولتاژ نوسانی ایجاد می کند که می تواند چندین برابر ولتاژ سیستم برسد. برای تجهیزات حساس مانند ترانسفورماتورهای نوع خشک، موتورها و ژنراتورها، این اضافه ولتاژها می تواند باعث تنش عایق و تسریع پیری شود. هنگامی که VCB در این وظایف سوئیچینگ استفاده می شود، سرکوبگرها، خازن های ولتاژ، یا شبکه های RC snubber متصل در پایانه های تجهیزات، اقدامات کاهشی استاندارد هستند.

یکپارچگی خلاء یکی دیگر از ملاحظات است. اگرچه قطع کننده های خلاء مدرن در حفظ خلاء داخلی خود در طول چندین دهه بسیار قابل اعتماد هستند، اما از دست دادن خلاء - ناشی از نقص ساخت، آسیب مکانیکی یا خرابی آب بندی - باعث می شود که قطع کننده قادر به خاموش کردن قوس ها نباشد و به طور بالقوه باعث خرابی فاجعه بار در طول تلاش برای قطع خطا می شود. آزمایش روتین یکپارچگی خلاء با استفاده از یک مجموعه تست ولتاژ بالا با فرکانس بالا (تست "HV Test" یا "Hipot") در طول تعمیر و نگهداری دوره ای توصیه می شود تا وضعیت قطع کننده قبل از وقوع خرابی در سرویس بررسی شود.

برنامه های کاربردی در سراسر صنایع و بخش های شبکه

تطبیق پذیری قطع کننده های مدار خلاء باعث شده است که تقریباً در تمام بخش های زیرساخت برق برق در همه جا حاضر شوند. کاربردهای آنها طیف وسیعی از محیط ها و شرایط عملیاتی را در بر می گیرد.

پست های توزیع برق

در پست های توزیع برق که در 11 کیلو ولت، 13.8 کیلو ولت، 15 کیلو ولت یا 33 کیلو ولت کار می کنند، قطع کننده های مدار خلاء به عنوان حفاظت فیدر اولیه و تجهیزات تقسیم بندی اتوبوس عمل می کنند. آن‌ها تحت کنترل رله‌های محافظ دیجیتالی کار می‌کنند که جریان‌های اضافه، خطاهای زمین و خطاهای دیفرانسیل را شناسایی می‌کنند و در عرض چند میلی‌ثانیه پس از تشخیص عیب، شکن را خاموش می‌کنند. چرخه کاری قطعی بالا - توانایی قطع چندین بار جریان خطای نامی بدون تعمیر و نگهداری - به ویژه در فیدرهای برقی که ممکن است به دلیل تماس با حیات وحش، پوشش گیاهی یا رویدادهای مربوط به آب و هوا دچار خطاهای مکرر شوند، ارزش دارد.

سیستم های برق صنعتی

تأسیسات صنعتی بزرگ - کارخانه‌های پتروشیمی، کارخانه‌های فولاد، کارخانه‌های سیمان، مراکز داده و عملیات استخراج - از کلیدهای خلاء به طور گسترده در تابلو برق متوسط خود برای راه‌اندازی و حفاظت موتور، سوئیچینگ ترانسفورماتور، کاربردهای اتصال اتوبوس و موازی‌سازی ژنراتور استفاده می‌کنند. عملیات سوئیچینگ مکرر که مشخصه سیستم‌های قدرت صنعتی است (راه‌اندازی موتور، انتقال بار، پیکربندی مجدد باس) به خوبی در قابلیت عمر عملیاتی VCB‌های مدرن است و اندازه جمع و جور آن‌ها با خطوط توزیع فلزی معمولی اتاق‌های برق صنعتی مناسب است.

یکپارچه سازی انرژی های تجدیدپذیر

مزارع بادی و تاسیسات خورشیدی در مقیاس شهری به سیستم‌های جمع‌آوری ولتاژ متوسط ​​برای جمع‌آوری توان از ژنراتورهای جداگانه و افزایش آن به ولتاژ انتقال نیاز دارند. کلیدهای مدار خلاء از فیدرهای جمع آوری ولتاژ متوسط ​​و ترانسفورماتورهای بالابرنده توربین بادی محافظت می کنند. نیازهای کم نگهداری آنها به ویژه در سایت‌های تجدیدپذیر از راه دور که دسترسی به تعمیر و نگهداری دشوار و پرهزینه است، ارزشمند است و پاکیزگی محیطی آنها با ماموریت پایداری پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر مطابقت دارد.

روش های تعمیر و نگهداری که قابلیت اطمینان شکن خلاء را به حداکثر می رساند

در حالی که کلیدهای مدار خلاء به طور قابل توجهی در مقایسه با جایگزین های نفت و گاز کم تعمیر و نگهداری هستند، یک برنامه تعمیر و نگهداری ساختاریافته هنوز برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد در طول عمر کامل آنها ضروری است. بی توجهی به تعمیر و نگهداری خطر خرابی را از بین نمی برد - به سادگی کشف مشکلات در حال توسعه را تا لحظه ای حساس به تاخیر می اندازد.

• تست مقاومت تماس: مقاومت تماس را از طریق هر قطب با استفاده از یک میکرو اهم متر یا ابزار DLRO اندازه گیری کنید. مقادیر بسیار بالاتر از مشخصات سازنده (معمولاً کمتر از 50 تا 100 میکرو اهم) نشان دهنده سایش تماس، آلودگی یا از دست دادن فشار تماس است که نیاز به بررسی دارد.
• تست یکپارچگی خلاء: یک آزمایش ولتاژ بالا با فرکانس بالا را در سطح تست دی الکتریک نامی در سراسر کنتاکت های باز هر قطع کننده اعمال کنید تا یکپارچگی خلاء را تأیید کنید. تخلیه یا خرابی درخشش نشان دهنده از بین رفتن خلاء است که نیاز به تعویض فوری قطع کننده دارد.
• تست های زمان بندی: از یک آنالایزر قطع کننده مدار برای اندازه گیری زمان باز و بسته شدن تماس، جهش تماس و هماهنگی بین فازها استفاده کنید. انحراف از مشخصات نشان دهنده سایش مکانیسم، خستگی فنر، یا تخریب روانکاری است.
• تست مقاومت عایق: آزمایش مگگر اجزای عایق - بوشینگ ها، تکیه گاه های اپوکسی و پاکت های قطع کننده - نفوذ رطوبت یا آلودگی سطحی را شناسایی می کند که می تواند توانایی مقاومت دی الکتریک را کاهش دهد.
• مکانیزم روغن کاری: قطعات متحرک در مکانیزم عملیاتی نیاز به روغن کاری دوره ای با گریس های خاص توصیه شده توسط سازنده دارند. استفاده از روان کننده های نادرست می تواند باعث چسبندگی، کندی مکانیسم یا در موارد شدید، تشنج مکانیزم شود که مانع از سفت شدن بریکر در هنگام خطا می شود.

اکثر سازندگان تعمیر و نگهداری جامع را در فواصل سه تا پنج ساله برای قطع کننده ها در سرویس معمولی توصیه می کنند، با بررسی های مکرر برای قطع کننده ها در معرض عملیات سوئیچینگ مکرر یا شرایط محیطی سخت. نگهداری سوابق دقیق از هر بازدید تعمیر و نگهداری - از جمله تمام مقادیر اندازه گیری شده و هرگونه اقدام اصلاحی انجام شده - داده های روند مورد نیاز را برای پیش بینی اینکه چه زمانی قطعات به پایان عمر خود نزدیک می شوند و به جای واکنشی، به طور فعال برنامه ریزی تعویض را ارائه می دهد.