چرا مدارشکن های خلاء وسیله کلیدزنی ترجیحی در سیستم های برق ولتاژ متوسط هستند؟
قطع کننده های مدار خلاء به فناوری غالب برای کلیدزنی و حفاظت ولتاژ متوسط در شبکه های توزیع برق در سراسر جهان تبدیل شده اند. ظهور آنها از یک مفهوم آزمایشگاهی طاقچه در دهه 1920 به راه حل استاندارد برای کاربردهای 6 کیلو ولت تا 36 کیلو ولت امروزه منعکس کننده ترکیبی از عملکرد عالی در خاموش کردن قوس، حداقل نیازهای تعمیر و نگهداری و مزایای زیست محیطی نسبت به جایگزین های نفت و گاز است که جایگزین شده اند. برای مهندسان برق، مدیران تاسیسات و برنامه ریزان تاسیسات که تابلو برق کارخانه های صنعتی، پست ها و ساختمان های تجاری را مشخص می کنند، درک دقیق نحوه عملکرد قطع کننده های مدار خلاء - و اینکه چرا آنها بهتر از جایگزین ها در کلاس ولتاژ خود عمل می کنند - برای تصمیم گیری تجهیزات سالم ضروری است.
چگونه مدار شکن های خلاء قوس ها را خاموش می کنند
اصل عملکرد یک مدارشکن خلاء بر قدرت دی الکتریک استثنایی یک محیط با خلاء بالا متمرکز است. در داخل بریکر، هر فاز توسط یک قطع کننده خلاء مهر و موم شده محافظت می شود - یک پوشش استوانه ای، که معمولاً از جنس سرامیکی یا شیشه به فلز ساخته شده است، که در فشار داخلی کمتر از 10-3 Pa حفظ می شود. هنگامی که شکن تحت شرایط بار یا خطا باز می شود، یک قوس بین دو محفظه جداکننده خلاء کشیده می شود.
برخلاف قوس‌های موجود در هوا یا روغن که خود را با یونیزه کردن محیط اطراف حفظ می‌کنند، یک قوس خلاء به طور کامل در بخار فلزی تبخیر شده از سطوح تماس وجود دارد. این بخار - تولید شده از مواد تماس، معمولاً آلیاژ مس-کروم - جریان را در طول دوره قوس الکتریکی در سراسر شکاف هدایت می کند. هنگامی که جریان متناوب از تقاطع صفر طبیعی خود می گذرد، قوس خاموش می شود زیرا بخار فلزی در غیاب هر گونه محیط گازی برای حفظ احتراق مجدد به سرعت بر روی سطوح تماس متراکم می شود. زمان بازترکیب در خلاء برحسب میکروثانیه اندازه گیری می شود، بسیار سریعتر از هر دی الکتریک گاز یا مایع، و به قطع کننده اجازه می دهد تا جریان خطا را در جریان اول یا دوم صفر پس از جدا شدن کنتاکت ها قطع کند. این سرعت همان چیزی است که به قطع کننده های مدار خلاء عملکرد استثنایی آنها را در قطع اتصال کوتاه نسبت به اندازه فیزیکی فشرده آنها می دهد.
ساخت وکیوم قطع کننده
قطع کننده خلاء از نظر فنی پیشرفته ترین جزء در مجموعه شکن است. ساختار آن باید یک مهر و موم فوق العاده با خلاء را برای کل عمر 20 تا 30 ساله تجهیزات بدون هیچ گونه دسترسی تعمیر و نگهداری به محفظه مهر و موم شده حفظ کند. این پوشش از ترکیبی از سرامیک و کلاهک‌های انتهایی فلزی استفاده می‌کند که با لحیم کاری در کوره‌های اتمسفر کنترل‌شده در دمای بیش از 800 درجه سانتی‌گراد به هم وصل شده‌اند و آب‌بندی‌های هرمتیک را ایجاد می‌کنند که قادر به مقاومت در برابر تنش‌های مکانیکی عملیات تماس مکرر و چرخه حرارتی رویدادهای قطع جریان خطا هستند.
هندسه تماس در داخل قطع کننده برای مدیریت رفتار قوس در هنگام وقفه مهندسی شده است. دو طرح تماس اصلی در عمل استفاده می شود: تماس میدان مغناطیسی محوری (AMF) و تماس میدان مغناطیسی شعاعی (RMF). کنتاکت های AMF از یک هندسه سیم پیچ در پشت صفحه تماس برای ایجاد میدان مغناطیسی موازی با ستون قوس استفاده می کنند، که قوس را به طور پراکنده در سطح تماس توزیع می کند و از فرسایش متمرکز در هر نقطه منفرد جلوگیری می کند و عمر تماس را به حداکثر می رساند. کنتاکت‌های RMF از هندسه شکاف مارپیچی استفاده می‌کنند که یک میدان عرضی ایجاد می‌کند و باعث می‌شود قوس به سرعت در اطراف محیط تماس بچرخد - همچنین بارگذاری حرارتی را توزیع کرده و عمر تماس را افزایش می‌دهد. هر دو طرح به یک قطع کننده اجازه می دهد تا قبل از اینکه فرسایش تماسی به آستانه جایگزینی برسد، جریان های نامی اتصال کوتاه را صدها بار در طول عمر خود قطع کند.
پارامترهای فنی کلیدی و رتبه بندی
قطع کننده های مدار خلاء بر اساس مجموعه ای از پارامترهای استاندارد تعریف شده در استانداردهای IEC 62271-100 و ANSI/IEEE C37 مشخص می شوند. درک این پارامترها برای کاربرد و تهیه صحیح ضروری است. جدول زیر به طور خلاصه رتبه بندی های اصلی را نشان می دهد:
| پارامتر | محدوده معمولی (MV) | آنچه را تعریف می کند |
| ولتاژ نامی (Ur) | 6 کیلو ولت - 36 کیلو ولت | حداکثر ولتاژ سیستم که بریکر برای آن طراحی شده است |
| جریان عادی دارای رتبه (Ir) | 630 A – 4000 A | ظرفیت جریان پیوسته بدون گرمای بیش از حد |
| جریان قطع نامی اتصال کوتاه (ISC) | 16 کیلو آمپر - 63 کیلو آمپر | حداکثر جریان خطا که بریکر می تواند قطع کند |
| جریان مقاومت کوتاه مدت (Icw) | 16 کیلو آمپر - 63 کیلو آمپر / 1–3 s | جریان خطا را قطع کن بسته می تواند برای مدت زمان مشخصی حمل کند |
| Rated Making Current (IMA) | 2.5 × Isc (اوج) | حداکثر جریان قطع کننده می تواند بدون آسیب به آن ببندد |
| چرخه عملیاتی (وظیفه) | O – 0.3 ثانیه – CO – 3 دقیقه – CO | توالی استاندارد برای پاک کردن عیب و بازگشایی خودکار |
| کلاس استقامت مکانیک | M1 (10000) / M2 (30000 عملیات) | تعداد عملیات مکانیکی بدون تعمیر و نگهداری عمده |
طبقه بندی استقامت مکانیکی به ویژه برای کاربردهایی که شامل عملیات سوئیچینگ مکرر هستند، مانند فیدرهای موتور، سوئیچینگ بانک خازن، یا کار کوره قوس الکتریکی بسیار مهم است. بریکرهای کلاس M2 که برای 30000 عملیات مکانیکی رتبه بندی شده اند، در این کاربردهای چرخه بالا مشخص شده اند، در حالی که بریکرهای کلاس M1 برای وظایف توزیع استاندارد و حفاظتی مناسب هستند، جایی که بریکر تنها چند بار در سال در سرویس عادی کار می کند.
مزایا نسبت به روغن و مدارشکن SF₆
انتقال از کلیدهای مدار روغن حجیم و قطع کننده های مدار حداقل روغن به فناوری خلاء در کاربردهای ولتاژ متوسط به دلیل مجموعه ای واضح از مزایای عملیاتی و زیست محیطی انجام شد. روغن شکن ها خطر آتش سوزی و انفجار ذاتی را از محیط دی الکتریک قابل اشتعال دارند، نیاز به نمونه برداری و جایگزینی دوره ای روغن دارند و رسوبات کربن و لجن را در داخل محفظه قطع می کنند که نیاز به تمیز کردن منظم دارد. قطع کننده های جاروبرقی این نگرانی ها را به طور کامل از بین می برند - قطع کننده مهر و موم شده حاوی هیچ ماده قابل اشتعال یا سمی نیست، و تماس های داخل آن هرگز در طول عمر مفید شکن نیاز به دسترسی یا تمیز کردن ندارند.
کلیدهای مدار گاز SF6 (هگزا فلوراید گوگرد) عملکرد عالی در سطوح ولتاژ بالا و در تابلو برقی که نیاز به هندسه قطعی بسیار فشرده دارند، ارائه می دهند، اما SF6 یک گاز گلخانه ای قوی با پتانسیل گرمایش جهانی تقریباً 23500 برابر CO2 در یک افق 100 ساله است. فشار نظارتی بر انتشار گازهای گلخانه ای SF6 به طور قابل توجهی در اتحادیه اروپا و سایر حوزه های قضایی تشدید شده است، با برنامه های کاهش تدریجی استفاده از آنها تا اواخر دهه 2020 الزامی است. در سطوح ولتاژ متوسط که فناوری خلاء به همان اندازه خوب عمل می کند، مزیت زیست محیطی قطع کننده خلاء - که حاوی گازهای گلخانه ای صفر است - اکنون یک عامل تعیین کننده در مشخصات تابلو برق برای تاسیسات جدید و پروژه های جایگزین است.
کاربردهای معمول در شبکه های توزیع برق
قطع کننده مدار خلاء در طیف کاملی از تجهیزات توزیع ولتاژ متوسط در هر دو زمینه شهری و صنعتی استفاده می شود. تطبیق پذیری آنها بازتاب گسترده ای از عملکرد تحت پوشش رتبه بندی ولتاژ و جریان آنها است:
- پست های توزیع اولیه: قطع کننده مدار خلاء serve as the incoming feeder breakers and bus section breakers in 11 kV, 22 kV, and 33 kV substations, providing protection and isolation for transformer feeders and outgoing distribution circuits.
- تابلو برق MV کارخانه صنعتی: در کارخانه های پتروشیمی، معدن، سیمان، فولاد و کاغذ، قطع کننده های مدار خلاء از فیدرهای فشار قوی موتور، ترانسفورماتورهای اولیه و باس در تابلوهای برق 6 کیلو ولت، 10 کیلو ولت و 11 کیلوولت محافظت می کنند.
- راه اندازی و تعویض موتور: برای موتورهای بزرگ بالاتر از 1 مگاوات، بریکرهای خلاء دستگاه سوئیچینگ را برای پیکربندی مستقیم بر روی خط یا استارت نرم ارائه می‌کنند که جریان‌های هجومی بالا در شروع و چرخه‌های کلیدزنی تکراری را در طول عمر کارکرد موتور کنترل می‌کند.
- سوئیچینگ بانک خازن: بانک های جبران توان راکتیو از قطع کننده های مدار خلاء برای وظیفه سوئیچینگ استفاده می کنند و از توانایی این فناوری برای کنترل جریان های هجومی گذرا بالا و سیکل های کلیدزنی مکرر که انرژی خازن شامل می شود، استفاده می کنند.
- پست های کلکتور انرژی های تجدیدپذیر: پست های کلکتور مزرعه بادی و پارک خورشیدی از قطع کننده های مدار خلاء در فیدرهای 11 کیلوولت تا 33 کیلوولت استفاده می کنند که ترانسفورماتورهای توربین و ترانسفورماتورهای اینورتر را به باس کلکتور اصلی متصل می کنند.
الزامات نگهداری و نظارت بر وضعیت
یکی از مهمترین مزیت های عملیاتی کلیدهای خلاء، حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری آنها در مقایسه با فناوری های قبلی است. قطع کننده خلاء مهر و موم شده در طول عمر خود نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد - هیچ سیال دی الکتریک برای آزمایش، فشار گاز برای نظارت و هیچ رسوب کربن برای تمیز کردن از محفظه قطع وجود ندارد. تعمیر و نگهداری معمول بر مکانیزم محرک مکانیکی متمرکز است: بررسی سیستم‌های ذخیره انرژی فنر، روانکاری اتصال عملیاتی در برنامه‌های سازنده، تأیید فشار تماس از طریق اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم، و آزمایش زمان عملکرد سیم پیچ‌های بسته و باز.
یکی از پارامترهای تعمیر و نگهداری خاص خلاء، فرسایش تماسی در قطع کننده مهر و موم شده است. هر رویداد قطع خطا، مقدار کمی از مواد را از سطوح تماس فرسایش می‌دهد، و پس از تعداد معینی از قطع‌های اتصال کوتاه - که توسط سازنده به‌عنوان رتبه‌بندی استقامت الکتریکی مشخص می‌شود، معمولاً به صورت تعدادی عملیات در جریان اتصال کوتاه نامی بیان می‌شود - فاصله تماس ممکن است فراتر از حد طراحی افزایش یافته باشد. سازندگان نشانگرهای سایش تماس را روی مجموعه قطع کننده ارائه می دهند که به پرسنل تعمیر و نگهداری اجازه می دهد تا عمر تماس باقی مانده را بدون باز کردن محفظه مهر و موم شده تأیید کنند. هنگامی که نشانگر به آستانه جایگزینی می رسد، قطع کننده به جای اینکه تعمیر شود، به عنوان یک واحد کاملا مهر و موم شده مبادله می شود.
معیارهای انتخاب برای تعیین قطع کننده های مدار خلاء
تعیین قطع کننده مدار خلاء صحیح برای یک کاربرد معین مستلزم تأیید این است که پارامترهای رتبه‌بندی شده از الزامات سیستم با حاشیه مناسب فراتر رفته و کلاس‌های استقامت مکانیکی و الکتریکی با وظیفه عملیاتی مورد انتظار مطابقت دارند. چک لیست زیر متغیرهای انتخاب اصلی را پوشش می دهد:
- ولتاژ سیستم: یک قطع کننده با ولتاژ نامی در یا بالاتر از حداکثر ولتاژ سیستم، از جمله شرایط افزایش ولتاژ، انتخاب کنید. بدون تایید پیامدهای هماهنگی عایق، یک قطع کننده ولتاژ بالاتر را به عنوان معیار هزینه کاهش ندهید.
- حداکثر جریان خطا: جریان قطعی نامی اتصال کوتاه باید از حداکثر جریان خطای احتمالی در نقطه نصب تجاوز کند که از روی امپدانس منبع بالادست و رتبه‌بندی ترانسفورماتور محاسبه می‌شود. هماهنگی با دستگاه های حفاظتی بالادست نیز باید تأیید شود.
- جریان پیوسته: جریان نرمال نامی باید از حداکثر جریان بار مورد انتظار در شرایط عملیاتی عادی و اضطراری، از جمله هرگونه رشد بار برنامه ریزی شده در آینده، تجاوز کند.
- وظیفه عملیاتی: برای کاربردهای فیدر موتور، سوئیچینگ خازن یا کوره قوس الکتریکی، استقامت الکتریکی نامی قطع کننده را برای جریان خاص و ضریب توان بار تأیید کنید و اگر فرکانس کاری از وظیفه توزیع استاندارد بیشتر شد، استقامت مکانیکی کلاس M2 را انتخاب کنید.
- رعایت استانداردها: بررسی کنید که بریکر مطابق با استاندارد IEC 62271-100 یا استاندارد ANSI/IEEE قابل اجرا برای بازار، با گواهی‌های آزمایشی برای بررسی در طول صلاحیت خرید، آزمایش شده است.
قطع کننده های مدار خلاء یکی از پیشرفته ترین و معتبرترین فناوری ها در مهندسی برق ولتاژ متوسط است. ترکیبی از قطع سریع و مطمئن قوس، تمیزی محیطی، بار تعمیر و نگهداری کم، و طول عمر ثابت شده در خدمات صحرایی، آنها را به مشخصات پیش‌فرض برای اکثریت قریب به اتفاق تاسیسات کلید فشار متوسط جدید در سطح جهانی تبدیل می‌کند - موقعیتی که احتمالاً با تشدید فشار نظارتی بر جایگزین‌های مبتنی بر SF6 در دهه آینده، بیشتر خواهد شد.
