جدیدترین فناوری های بکار رفته در کلیدهای خلاء فضای باز چیست؟

نوآوری محرک در مدار شکن های خلاء فضای باز چیست؟

قطع کننده های مدار خلاء فضای باز (VCB) اجزای حیاتی در شبکه های توزیع برق با ولتاژ متوسط ​​و بالا هستند. برخلاف همتایان داخلی خود، واحدهای بیرونی باید شرایط محیطی سخت - اشعه ماوراء بنفش، دمای شدید، رطوبت، یخ و آلودگی - را تحمل کنند و در عین حال عملکرد سوئیچینگ بی عیب و نقص را حفظ کنند. در سال‌های اخیر، فشار جهانی برای شبکه‌های هوشمندتر، یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری، سرعت توسعه فناوری در این بخش را تسریع کرده است. جدیدترین نوآوری‌ها شامل علم مواد، هوش دیجیتال، پایداری محیطی و طراحی مکانیکی می‌شوند که همگی برای تولید شکن‌هایی که قابل اعتمادتر، ماندگارتر و مدیریت از راه دور آسان‌تر هستند، همگرا می‌شوند.

فناوری پیشرفته خلاء قطع کننده

قطع کننده خلاء (VI) قلب هر قطع کننده مدار خلاء است. پیشرفت های اخیر بر افزایش استقامت الکتریکی و قدرت دی الکتریک قطع کننده متمرکز شده است، به ویژه برای ولتاژهایی در محدوده 36 کیلوولت تا 126 کیلو ولت که در آن کاربردهای خارج از منزل بیشترین تقاضا را دارند.

مواد تماس بهبود یافته

قطع کننده های خلاء مدرن اکنون از آلیاژهای مس-کروم (CuCr) با ریزساختارهای تصفیه شده استفاده می کنند که از طریق تکنیک های متالورژی پودر تولید می شوند. این مواد قابلیت خاموش کردن قوس الکتریکی عالی و کاهش فرسایش تماسی را ارائه می‌کنند و عمر عملیاتی قطع کننده را به بیش از 30000 عملیات مکانیکی و 100 یا بیشتر عملیات شکستن با بار کامل افزایش می‌دهند. برخی از تولید کنندگان آلیاژهای سه تایی مانند مس-کروم-تلوریم (CuCrTe) را برای بهبود بیشتر ویژگی های برش جریان معرفی کرده اند که خطر افزایش ولتاژ در هنگام تعویض بارهای القایی مانند ترانسفورماتورها و موتورها را کاهش می دهد.

الکترودهای میدان مغناطیسی محوری (AMF).

طرح های تماس میدان مغناطیسی شعاعی سنتی (RMF) به طور فزاینده ای با هندسه های الکترود میدان مغناطیسی محوری تکمیل یا جایگزین می شوند. طرح‌های AMF قوس خلاء را به طور یکنواخت‌تر در سطح تماس توزیع می‌کنند و به طور قابل‌توجهی غلظت حرارتی و سایش تماس را کاهش می‌دهند. این فناوری به VCB های فضای باز اجازه می دهد تا جریان های اتصال کوتاه با امتیاز بالاتر - تا 63 کیلو آمپر - را بدون افزایش متناسب در اندازه فیزیکی اداره کنند و آنها را برای پست های شهری با تراکم بالا و سیستم های برق صنعتی ایده آل می کند.

فن آوری های سوئیچینگ حالت جامد و ترکیبی

یکی از مخرب ترین تحولات در بازار قطع کننده مدار در فضای باز، ظهور معماری های سوئیچینگ ترکیبی و حالت جامد است که تماس های مکانیکی را با الکترونیک قدرت ترکیب می کند.

قطع کننده های مدار خلاء هیبریدی یک قطع کننده خلاء معمولی را با یک شاخه الکترونیک قدرت موازی ادغام می کنند - معمولاً از ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) یا تریستورهای کاربید سیلیکون (SiC) استفاده می کنند. در طول یک خطا، شاخه الکترونیک قدرت جریان را به صورت لحظه ای هدایت می کند و اجازه می دهد تا کنتاکت های مکانیکی بدون قوس باز شوند. سپس جریان از طریق مسیر مکانیکی برگشت داده شده و خاموش می شود. این رویکرد به طور چشمگیری زمان ایجاد قوس و سایش تماس را کاهش می دهد و به طور موثر سرعت سوئیچ را از محدودیت های مکانیکی جدا می کند. زمان وقفه کمتر از 2 میلی ثانیه در شرایط آزمایشگاهی نشان داده شده است، در مقایسه با 20-60 میلی ثانیه برای طرح های معمولی.

قطع کننده های مدار کاملاً جامد با کمک خلاء نیز در حال توسعه فعال برای کاربردهای شبکه DC هستند، جایی که قطع قوس ذاتاً به دلیل عدم وجود عبور جریان طبیعی صفر دشوار است. این طرح ها به طور فزاینده ای مرتبط هستند زیرا ریزشبکه های DC و مزارع بادی فراساحلی به تجهیزات حفاظت DC قابل اعتماد نیاز دارند.

نظارت هوشمند و یکپارچه سازی اینترنت اشیا

دیجیتالی شدن مسلماً مهم‌ترین روند تجاری در توسعه VCB در فضای باز است. شرکت های برق و اپراتورهای صنعتی خواستار نظارت بر سلامت در زمان واقعی و قابلیت های تعمیر و نگهداری پیش بینی شده هستند که قطعی های برنامه ریزی نشده و هزینه های عملیاتی را کاهش می دهد.

سیستم های حسگر تعبیه شده

قطع کننده های مدار خلاء فضای باز مدرن به طور فزاینده ای با بسته های حسگر یکپارچه مجهز می شوند که به طور مداوم پارامترهای زیر را نظارت می کنند:

• تماس با مسافت و سرعت سفر در طول هر عملیات
• عملکرد شکل موج جریان سیم پیچ برای تشخیص تخریب مکانیسم
• سطوح فرسایش تماسی به دست آمده از داده های جریان قطع شده تجمعی
• فعالیت تخلیه جزئی در سیستم عایق
• دما و رطوبت محیط در محل نصب
• امضاهای ارتعاشی مکانیسم عملیاتی

این سیگنال‌های حسگر توسط میکروکنترلرهای روی برد پردازش می‌شوند و از طریق پیام‌رسانی IEC 61850 GOOSE یا پروتکل‌های IIoT مانند MQTT به سیستم‌های SCADA یا پلتفرم‌های مدیریت دارایی مبتنی بر ابر منتقل می‌شوند. شرکت‌های خدماتی اکنون می‌توانند عمر باقی‌مانده قطع کننده‌ها را در زمان واقعی ردیابی کنند و تعمیر و نگهداری را فقط در صورت نیاز واقعی به جای فواصل زمانی ثابت برنامه‌ریزی کنند.

تعمیر و نگهداری پیشگویانه مبتنی بر هوش مصنوعی

چندین تولید کننده پیشرو الگوریتم های یادگیری ماشینی را که بر روی مجموعه داده های تاریخی بزرگ قرائت سنسورهای شکن و رویدادهای خرابی آموزش دیده اند، به کار گرفته اند. این مدل‌ها می‌توانند انحراف‌های ظریف را در امضاهای جریان سیم‌پیچ یا منحنی‌های سفر تماسی که هفته‌ها یا ماه‌ها قبل از خرابی‌های مکانیکی پیش می‌آیند، شناسایی کنند. کارآزمایی‌های میدانی نرخ هشدار کاذب زیر 5 درصد و نرخ‌های تشخیص بیش از 90 درصد را برای خطاهای مکانیزم اولیه نشان داده‌اند، که شواهد قانع‌کننده‌ای ارائه می‌کند که نظارت بر وضعیت مبتنی بر هوش مصنوعی می‌تواند به طور قابل‌توجهی خطر قطع برق را در تاسیسات حیاتی در فضای باز کاهش دهد.

مواد عایق سازگار با محیط زیست

استفاده سنتی از گاز SF6 (هگزا فلوراید گوگرد) به عنوان یک محیط عایق و خاموش کننده قوس در تابلو برق در فضای باز به دلیل پتانسیل بسیار بالای گرمایش جهانی - تقریباً 23500 برابر CO2 در یک دوره 100 ساله، تحت فشار نظارتی شدید قرار گرفته است. در حالی که قطع کننده های مدار خلاء فضای باز از SF6 در خود قطع کننده خلاء استفاده نمی کنند، SF6 از لحاظ تاریخی در محفظه اطراف یا طرح های مخزن مرده برای درجه بندی ولتاژ و عایق استفاده شده است.

صنعت با چندین رویکرد جایگزین پاسخ می دهد:

رزین اپوکسی و پوشش لاستیک سیلیکونی قطعات حامل جریان نیز در حال افزایش است و VCB های کاملاً جامد در فضای باز را قادر می سازد که اصلاً به گاز تحت فشار نیاز ندارند. این طرح‌ها به‌ویژه برای محیط‌های ساحلی و با آلودگی بالا که در آن محفظه‌های مهر و موم شده با گاز می‌توانند در طول زمان به خطر بیفتند، مناسب هستند.

مکانیسم های عملیاتی الکترومغناطیسی

مکانیزم عملیاتی یکی از پرمصرف‌ترین اجزای هر قطع کننده مدار است. مکانیسم‌های متداول شارژ فنری شامل ده‌ها قطعه متحرک - چفت‌ها، پنجه‌ها، ضامن‌ها و داش‌پات‌ها هستند که هر کدام می‌توانند به‌طور مستقل ساییده شوند یا از کار بیفتند. جدیدترین VCB های فضای باز از محرک های آهنربای دائم الکترومغناطیسی (EM) به عنوان جایگزینی زیباتر استفاده می کنند.

یک محرک آهنربای دائم از یک سیم پیچ متحرک استفاده می کند که با یک آهنربای دائمی ثابت تعامل دارد تا میله تماس را در هر دو جهت باز و بسته شدن به حرکت درآورد. این مکانیسم تماس ها را در هر دو موقعیت باز و بسته از طریق نیروی مغناطیسی بدون نیاز به چفت مکانیکی نگه می دارد. این امر تعداد کل قطعات متحرک را از بیش از 50 قطعه در مکانیزم فنری معمولی به کمتر از 10 کاهش می دهد و قابلیت اطمینان را به طور چشمگیری بهبود می بخشد و نیازهای تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد. تولیدکنندگان میانگین زمان بین خرابی ها (MTBF) را بیش از 25 سال برای قطع کننده های فضای باز مجهز به PMA در شرایط کارکرد عادی گزارش می دهند.

طراحی فشرده و مدولار برای یکپارچه سازی انرژی های تجدید پذیر

گسترش سریع انرژی‌های تجدیدپذیر توزیع‌شده - مزارع خورشیدی، پارک‌های بادی و ذخیره باتری - تقاضا برای VCB‌های فضای باز را ایجاد می‌کند که می‌توانند به سرعت، در تعداد زیاد و در فضاهای فیزیکی محدود مستقر شوند. سازندگان با طرح‌های نصب‌شده روی قطب و فشرده‌ای که بر روی پد نصب شده‌اند، پاسخ می‌دهند که قطع‌کننده خلاء، مکانیسم عملیاتی، ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ و رله حفاظتی را در یک واحد مونتاژ شده و آزمایش‌شده در کارخانه یکپارچه می‌کند.

این محصولات یکپارچه بازساز و قطعه ساز را می توان در عرض چند ساعت بر روی قطب های توزیع نصب کرد، در مقایسه با روزها برای تابلو برق سنتی مبتنی بر پست. آنها از جداسازی خودکار خطا و بازیابی خدمات از طریق الگوریتم‌های FDIR (تشخیص، جداسازی و بازیابی عیب) پشتیبانی می‌کنند، که در حال تبدیل شدن به ابزارهای ضروری برای شرکت‌هایی هستند که شبکه‌های توزیع پیچیده‌تر را مدیریت می‌کنند با جریان‌های برق دوطرفه از سقف‌های خورشیدی و سیستم‌های خودرو به شبکه.

نتیجه گیری

قطع کننده مدار خلاء فضای باز فناوری در حال دستخوش تحولی عمیق است که ناشی از نیازهای همگرا نوسازی شبکه، مقررات زیست محیطی و هوش دیجیتال است. از آلیاژهای تماسی پیشرفته مس-کروم و قطع کننده های میدان مغناطیسی محوری گرفته تا نظارت بر وضعیت با هوش مصنوعی و سیستم های عایق بدون SF6، هر نوآوری به یک چالش عملیاتی واقعی که توسط شرکت های برق و اپراتورهای صنعتی با آن مواجه است، می پردازد. با پیچیده‌تر شدن شبکه‌ها و افزایش هزینه قطع‌ها، سرمایه‌گذاری در این VCB‌های جدید نسل جدید نه تنها یک هزینه سرمایه‌ای بلکه یک تعهد استراتژیک به انعطاف‌پذیری، پایداری و کارایی عملیاتی بلندمدت است.