پرتاب کنترلی برق: عملکرد، مزایا و انواع

یک پرتاب کنترلی برق از هوا فشرده یا گاز به عنوان ماده‌ی مانع قوس الکتریکی استفاده می‌کند. هوا فشرده در یک مخزن ذخیره شده و وقتی نیاز باشد، از طریق یک سیفون آزاد شده و جت با سرعت بالا ایجاد می‌کند. این جت نقش مهمی در خاموش کردن قوس الکتریکی که در زمان قطع کنترلی برق توسط قطع کننده ایجاد می‌شود، دارد.

پرتاب کنترلی برق برای کاربردهای داخلی در دامنه ولتاژ متوسط-بالا با ظرفیت قطع متوسط استفاده می‌شود. معمولاً برای ولتاژهای تا ۱۵ کیلوولت و ظرفیت قطع ۲۵۰۰ مگاوات مناسب هستند. علاوه بر این، اکنون در تأسیسات برق خارجی ولتاژ بالا برای خطوط ۲۲۰ کیلوولت نیز استفاده می‌شوند.

در حالی که گازهای مختلفی مانند دی‌اکسید کربن، نیتروژن، فرون یا هیدروژن می‌توانند به عنوان ماده‌ی مانع قوس الکتریکی عمل کنند، هوا فشرده به عنوان انتخاب مطلوب برای قطع کننده‌های پرتاب گازی مطرح شده است. دلایل چندین دلیل قانع‌کننده برای این موضوع وجود دارد:

• نیتروژن: توانایی قطع آن مشابه هوا فشرده است و مزیت قابل توجهی در عملکرد ندارد.

• دی‌اکسید کربن: یکی از معایب اصلی آن کنترل دشوار جریان آن است. تمایل به یخ زدن در مقدارهای کم و عبورها دارد که می‌تواند عملکرد صحیح قطع کننده را اختلال دهد.

• فرون: اگرچه دارای مقاومت دی‌الکتریک بالا و ویژگی‌های خاموش‌کننده قوس الکتریکی عالی است، قیمت آن بسیار بالاست. علاوه بر این، وقتی به قوس الکتریکی مواجه می‌شود، به عناصر تشکیل‌دهنده اسید تجزیه می‌شود که خطراتی برای تجهیزات و محیط اطراف ایجاد می‌کند.

پرتاب کنترلی برق مزایای متعددی ارائه می‌دهد:

• عملکرد با سرعت بالا: در شبکه‌های برق بزرگ متصل شده، حفظ ثبات سیستم بسیار مهم است. پرتاب کنترلی برق در این زمینه به دلیل فاصله زمانی بسیار کوتاه بین آزاد شدن ضربه‌ی تحریک و جدا شدن تماس‌ها برجسته است. این پاسخ سریع به حداقل رساندن تأثیر خرابی‌ها بر شبکه برق کلی کمک می‌کند.

• مناسب برای عملکرد مکرر: برخلاف قطع کننده‌هایی که از روغن استفاده می‌کنند و می‌توانند با تغییرات مکرر سریعاً کربنیزه و تخریب شوند، پرتاب کنترلی برق می‌توانند عملکرد مکرر را تحمل کنند. عدم وجود روغن نیز به معنای کمترین سایش و تخریب سطوح تماس‌های حامل جریان است. با این حال، برای عملکرد مکرر، تأمین مداوم و کافی هوا فشرده ضروری است.

• نگهداری ناچیز: توانایی در مدیریت تغییرات مکرر با آسانی به معنای کاهش نیاز به نگهداری است. این نه تنها هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد بلکه قابلیت اطمینان و در دسترس بودن قطع کننده را افزایش می‌دهد.

• حذف خطر آتش‌سوزی: از آنجا که پرتاب کنترلی برق شامل روغن نیست، خطر آتش‌سوزی مرتبط با قطع کننده‌های پر از روغن کاملاً حذف می‌شود و آن‌ها را گزینه‌ی ایمن‌تری برای نصب‌های برق می‌کند.

• کاهش اندازه: رشد سریع مقاومت دی‌الکتریک در پرتاب کنترلی برق به معنای نیاز به فاصله‌ی نهایی کوچک‌تر برای خاموش کردن قوس است. این طراحی فشرده به دستگاه‌های کوچک‌تر منجر می‌شود که می‌توانند به راحتی در سیستم‌های برق یکپارچه شوند و کمترین فضای ممکن را اشغال کنند.

اصول خاموش کردن قوس

یک پرتاب کنترلی برق از یک سیستم هوا فشرده اضافی برای تأمین هوا به گیرنده هوا استفاده می‌کند. وقتی قطع کننده نیاز به باز شدن دارد، هوا فشرده به داخل کامره‌ی خاموش کردن قوس هدایت می‌شود. این هوا با فشار بالا نیرویی بر تماس‌های متحرک وارد می‌کند که باعث جدایی آن‌ها می‌شود. همزمان با جدایی تماس‌ها، پرتاب هوا گاز یونی شده‌ای که توسط قوس ایجاد شده را می‌برد و آن را خاموش می‌کند.

قوس معمولاً در یک یا چند دور خاموش می‌شود. پس از خاموش شدن قوس، کامره‌ی قوس با هوا با فشار بالا پر می‌شود که به جلوگیری از تجدید روشن شدن قوس کمک می‌کند. پرتاب کنترلی برق در دسته‌ی انرژی خاموش کننده خارجی قرار می‌گیرند. انرژی استفاده شده برای خاموش کردن قوس از هوا با فشار بالا استخراج می‌شود که مستقل از جریان قطع شده است.

انواع پرتاب کنترلی برق

همه پرتاب کنترلی برق بر اساس اصل جدا کردن تماس‌های خود در یک جریان هوا که با باز کردن یک شیر پرتاب ایجاد می‌شود، عمل می‌کنند. قوسی که ایجاد می‌شود به سرعت از طریق یک سیفون مرکزی می‌شود، جایی که در طول ثابتی نگهداری می‌شود و تحت نیروی ماکسیمم جریان هوا قرار می‌گیرد. بر اساس جهت پرتاب هوا فشرده حول تماس‌ها، پرتاب کنترلی برق می‌توانند به سه نوع تقسیم شوند:

• پرتاب کنترلی برق محوری: در این نوع، جریان هوا موازی با قوس است و طولانی‌تر در طول آن جریان دارد. پرتاب کنترلی برق محوری می‌توانند به صورت تک‌پرتاب یا دوپرتاب تقسیم شوند. برخی از ترتیبات دوپرتاب، که جریان هوا به طور شعاعی به سیفون یا فضای بین تماس‌ها می‌رود، گاهی اوقات به عنوان پرتاب کنترلی برق شعاعی شناخته می‌شوند، با وجود مفهوم طراحی محوری اصلی.

ساختار و عملکرد اساسی یک پرتاب کنترلی برق در نمودار بالا نشان داده شده است. در شرایط عادی، تماس‌های ثابت و متحرک در حالت بسته باقی می‌مانند و با نیرویی که توسط فنرهایی وارد می‌شود نگهداری می‌شوند. یک مخزن هوا به کامره‌ی قوس از طریق یک شیر هوا متصل است. این شیر توسط یک مکانیسم سه ضربه فعال می‌شود که باز شدن آن را در صورت بروز خرابی یا نیاز به قطع جریان ایجاد می‌کند.

هنگامی که خرابی در سیستم برق رخ می‌دهد، ضربه‌ی تحریک به عنوان کاتالیست عمل می‌کند. این ضربه شیر هوا را که مخزن هوا را به کامره‌ی قوس متصل می‌کند فعال می‌کند و باعث باز شدن آن می‌شود. هنگامی که هوا با فشار بالا از مخزن به کامره‌ی قوس می‌رود، نیروی قابل توجهی بر تماس‌های متحرک وارد می‌کند. هنگامی که فشار هوا از مقاومت نیروی فنری که معمولاً تماس‌ها را بسته نگه می‌دارد فراتر می‌رود، تماس‌های متحرک شروع به جدا شدن می‌کنند و فرآیند قطع جریان برق و خاموش کردن قوس را آغاز می‌کنند.

هنگامی که تماس‌ها به دلیل فشار هوا با سرعت بالا جدا می‌شوند، قوسی بین آن‌ها ایجاد می‌شود. هوا که با سرعت بالا در طول قوس حرکت می‌کند، به طور مؤثری گرما را از محیط قوس می‌برد. هنگامی که جریان به صفر می‌رسد، این گرمای مداوم خارج شده قطر قوس را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. در لحظه‌ی رسیدن جریان به صفر، قوس به طور موفقیت‌آمیز قطع می‌شود. سپس هوا تازه از طریق سیفون فضا بین تماس‌ها را پر می‌کند. این جریان هوا تازه گازهای گرم و یونی شده‌ای که در فضا بین تماس‌ها وجود داشته‌اند را می‌برد و به سرعت مقاومت دی‌الکتریک بین تماس‌ها را بازیابی می‌کند و از هرگونه تجدید روشن شدن قوس جلوگیری می‌کند.

پرتاب کنترلی برق عرضی

در یک پرتاب کنترلی برق عرضی، مکانیسم خاموش کردن قوس به طور متفاوت عمل می‌کند. در اینجا، پرتاب قوس عمود بر قوس خود است. شکل زیر یک نمودار از اصل پرتاب عرضی که در این نوع قطع کننده استفاده می‌شود، ارائه می‌دهد. هنگامی که بازوی تماس متحرک در یک فضای محدود فعال می‌شود، قوسی ایجاد می‌شود. فوراً، یک پرتاب عرضی هوا این قوس را به سمت صفحات تقسیم‌کننده می‌برد. صفحات تقسیم‌کننده قوس را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کنند و انرژی آن را پخش می‌کنند. این فرآیند به طور مؤثر قوس را تا حدی ضعیف می‌کند که پس از عبور جریان از صفر، انرژی کافی برای تجدید روشن شدن نداشته باشد و قطع موفقیت‌آمیز مدار الکتریکی را تضمین می‌کند.

سوئیچ‌گذاری مقاومتی و نقاط ضعف پرتاب کنترلی برق

سوئیچ‌گذاری مقاومتی

معمولاً سوئیچ‌گذاری مقاومتی در پرتاب کنترلی برق الزامی نیست. وقتی قوس خاموش می‌شود، به طور ذاتی مقاومتی ایجاد می‌کند که به تنظیم ولتاژ تجدید روشن شدن موقت کمک می‌کند. با این حال، اگر مقاومت اضافی برای کاربردهای خاص مفید باشد، می‌تواند با اتصال مقاومتی به بخش تقسیم‌کننده قوس اضافه شود. این مقاومت اضافی یک لایه اضافی کنترل بر ولتاژ موقت ایجاد می‌کند و عملکرد قطع کننده را در شرایط خاصی بهبود می‌بخشد.

نقاط ضعف پرتاب کنترلی برق

یکی از محدودیت‌های اصلی پرتاب کنترلی برق نیاز دقیق به تأمین مداوم هوا فشرده با فشار دقیق است. برای تأمین این موجودیت، نیاز به نصب‌های بزرگ‌مقیاس وجود دارد که معمولاً شامل دو یا چند فشرده‌کننده است. نگهداری این تأسیسات فشرده‌سازی کار ساده‌ای نیست؛ نیاز به تعمیر و نگهداری منظم برای حفظ کارایی فشرده‌کننده‌ها و حل مشکلات مکانیکی که ممکن است رخ دهد دارد.

علاوه بر این، نشت هوا در اتصالات لوله یک مشکل دائمی است. حتی نشت‌های کوچک نیز می‌توانند به تدریج فشار هوا را کاهش دهند و عملکرد قطع کننده را تحت تأثیر قرار دهند. تشخیص و اصلاح این نشت‌ها می‌تواند زمان‌بر و کاری سنگین باشد. این چالش‌های نگهداری، به همراه نیاز به یک سیستم تأمین هوا پیشرفته، به هزینه‌های عملیاتی بالاتر می‌انجامند.

وقتی با قطع کننده‌های روغنی یا دیگر انواع قطع کننده‌های هوا فشرده مقایسه می‌شود، پرتاب کنترلی برق برای کاربردهای ولتاژ پایین بسیار گران است. زیرساخت‌های گسترده مورد نیاز برای تولید هوا فشرده و هزینه‌های نگهداری مرتبط با آن آن‌ها را در سناریوهایی که ولتاژ پایین‌تر مورد نظر است کم‌هزینه‌تر می‌کند و از استفاده گسترده آن‌ها در چنین زمینه‌هایی جلوگیری می‌کند.