بازکننده مدار هوایی
قطع‌کننده‌های مدار هوایی: عملکرد، مزایا و انواع
قطع‌کننده مدار هوایی از هوا یا گاز فشرده به عنوان ماده مخرب قوس استفاده می‌کند. هوا فشرده در یک مخزن ذخیره شده و هنگام نیاز از طریق یک سوزن آزاد شده و جت با سرعت بالا ایجاد می‌کند. این جت نقش حیاتی در خاموش کردن قوس الکتریکی که در زمان قطع مدار توسط قطع‌کننده مدار ایجاد می‌شود، دارد.
قطع‌کننده‌های مدار هوایی معمولاً برای کاربردهای داخلی در محدوده ولتاژ متوسط تا بالا با ظرفیت ریزش متوسط استفاده می‌شوند. معمولاً برای ولتاژ تا ۱۵ کیلوولت و ظرفیت ریزش ۲۵۰۰ مگاوات مناسب هستند. علاوه بر این، اکنون در میدان‌های کلیدزنی برق بالا برای خطوط ۲۲۰ کیلوولت نیز استفاده می‌شوند.
با وجود اینکه گازهای مختلفی مانند دی‌اکسید کربن، نیتروژن، فرون یا هیدروژن می‌توانند به عنوان ماده مخرب قوس عمل کنند، هوا فشرده به عنوان انتخاب مطلوب برای قطع‌کننده‌های مدار گازی پدیدار شده است. دلایل متعددی برای این موضوع وجود دارد:
نیتروژن: توانایی قطع مدار آن مشابه هوا فشرده است و مزیت قابل توجهی در عملکرد ندارد.
دی‌اکسید کربن: یکی از معایب اصلی آن کنترل دشوار جریان است. تمایل دارد در دریچه‌ها و مسیرهای تنگه یخ بزند، که می‌تواند عملکرد صحیح قطع‌کننده مدار را مختل کند.
فرون: اگرچه دارای مقاومت دی‌الکتریک بالا و خصوصیات ممتاز خاموش کردن قوس است، اما قیمت بالایی دارد. علاوه بر این، وقتی به قوس مواجه می‌شود، به عناصر تشکیل دهنده اسید تجزیه می‌شود که خطراتی برای تجهیزات و محیط اطراف ایجاد می‌کند.
قطع‌کننده‌های مدار هوایی ویژگی‌های مطلوب متعددی دارند:
عملکرد با سرعت بالا: در شبکه‌های برق متصل شده بزرگ، حفظ پایداری سیستم بسیار مهم است. قطع‌کننده‌های مدار هوایی در این زمینه به دلیل فاصله زمانی بسیار کوتاه بین دفع ضربه تحریکی و جدا شدن تماس‌ها موفق عمل می‌کنند. این واکنش سریع به کمینه کردن تأثیر نقصان‌ها بر شبکه برق کلی کمک می‌کند.
مناسب برای عملیات مکرر: برخلاف قطع‌کننده‌های مداری که از روغن استفاده می‌کنند و می‌توانند با تکرار قطع و وصل به سرعت کربنیزه شده و تخریب یابند، قطع‌کننده‌های مدار هوایی می‌توانند عملیات مکرر را تحمل کنند. عدم وجود روغن نیز به معنای کمتر شدن سایش روی سطوح تماس برق‌رسان است. با این حال، اطمینان از تأمین مستمر و کافی هوا فشرده هنگام انتظار قطع و وصل مکرر ضروری است.
نگهداری ناچیز: توانایی مدیریت قطع و وصل مکرر با آسانی به معنای کاهش نیازهای نگهداری است. این نه تنها هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد بلکه قابلیت اطمینان و در دسترس بودن قطع‌کننده مدار را افزایش می‌دهد.
حذف خطر آتش‌سوزی: از آنجا که قطع‌کننده‌های مدار هوایی شامل روغن نیستند، خطر آتش‌سوزی مرتبط با قطع‌کننده‌های مداری پر از روغن کاملاً حذف می‌شود و آن‌ها گزینه ای ایمن‌تر برای نصب‌های برق هستند.
حجم کوچک‌تر: رشد سریع مقاومت دی‌الکتریک در قطع‌کننده‌های مدار هوایی به معنای نیاز به فاصله 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 فضای کمتری اشغال کنند.
اصول خاموش کردن قوس
قطع‌کننده مدار هوایی از یک سیستم هوا فشرده اضافی برای تأمین هوا به مخزن هوا استفاده می‌کند. هنگامی که قطع‌کننده مدار نیاز به باز شدن دارد، هوا فشرده به داخل کامره خاموش کردن قوس هدایت می‌شود. این هوا با فشار بالا نیرویی بر تماس‌های متحرک وارد می‌کند که باعث جدا شدن آن‌ها می‌شود. همزمان با جدا شدن تماس‌ها، جت هوا گاز یونیزه‌شده تشکیل شده توسط قوس را می‌بلعد و آن را خاموش می‌کند.
قوس معمولاً در یک یا چند دور خاموش می‌شود. پس از خاموش شدن قوس، کامره قوس با هوا با فشار بالا پر می‌شود که به جلوگیری از بازتاب‌های مجدد کمک می‌کند. قطع‌کننده‌های مدار هوایی در دسته نوع انرژی خاموش کننده خارجی قرار می‌گیرند. انرژی استفاده شده برای خاموش کردن قوس از هوا با فشار بالا بدست می‌آید و مستقل از جریان قطع شده است.
انواع قطع‌کننده‌های مدار هوایی
همه قطع‌کننده‌های مدار هوایی بر اساس اصل جدا کردن تماس‌های خود در جریان هوا تشکیل شده توسط باز شدن دریچه جت عمل می‌کنند. قوس تشکیل شده به سرعت از طریق یک سوزن مرکزی می‌شود، جایی که در طول ثابتی نگه داشته شده و تحت نیروی ماکسیمم جریان هوا قرار می‌گیرد. بر اساس جهت جت هوا فشرده حول تماس‌ها، قطع‌کننده‌های مدار هوایی به سه نوع تقسیم می‌شوند:
قطع‌کننده مدار هوایی جت محوری: در این نوع، جریان هوا موازی با قوس است و طولی طولانی در طول آن جریان می‌یابد. قطع‌کننده‌های مدار هوایی جت محوری می‌توانند به دو نوع واحد جت یا دوجت تقسیم شوند. برخی از ترتیبات دوجت، جایی که جت هوا به صورت شعاعی به سوزن یا فضای بین تماس‌ها جریان می‌یابد، گاهی اوقات به عنوان قطع‌کننده‌های مدار هوایی جت شعاعی شناخته می‌شوند، با این حال مفهوم طراحی اصلی جت محوری است.
ساختار و عملکرد اساسی یک قطع‌کننده مدار هوایی در نمودار بالا نشان داده شده است. در شرایط عملیاتی عادی، تماس‌های ثابت و متحرک در حالت بسته باقی می‌مانند و توسط نیرویی که توسط فنرها وارد می‌شود به هم متصل می‌شوند. یک مخزن هوا به کامره قوس از طریق یک دریچه هوا متصل است. این دریچه توسط یک مکانیسم سه ضربه فعال می‌شود که باز شدن آن را در صورت بروز نقص یا نیاز به قطع جریان ایجاد می‌کند.
هنگامی که نقصی در سیستم برق بروز می‌کند، ضربه قطع به عنوان کاتالیست عمل می‌کند. این ضربه دریچه هوا را که مخزن هوا را به کامره قوس متصل می‌کند، فعال می‌کند و باعث باز شدن آن می‌شود. هنگامی که هوا با فشار بالا از مخزن به کامره قوس جریان می‌یابد، نیروی قابل توجهی بر تماس‌های متحرک وارد می‌کند. هنگامی که فشار هوا بیش از مقاومت نیروی فنر که معمولاً تماس‌ها را بسته نگه می‌دارد، می‌شود، 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، قوس بین آن‌ها تشکیل می‌شود. هوا که با سرعت بالا طول قوس حرکت می‌کند، گرمای قوس را از حاشیه آن خارج می‌کند. هنگامی که جریان به صفر میل می‌کند، این گرمای خارج شده باعث کاهش قابل توجه قطر قوس می‌شود. در لحظه‌ای که جریان به صفر می‌رسد، قوس با موفقیت قطع می‌شود. سپس هوا تازه از طریق سوزن فضا بین تماس‌ها را پر می‌کند. این جریان هوا تازه گازهای گرم و یونیزه‌شده موجود در فضای تماس‌ها را می‌بلعد و به سرعت مقاومت دی‌الکتریک بین تماس‌ها را بازیابی می‌کند و از بازتاب مجدد قوس جلوگیری می‌کند.
قطع‌کننده مدار هوایی جت متقاطع
در قطع‌کننده مدار هوایی جت متقاطع، مکانیزم خاموش کردن قوس متفاوت است. در اینجا، جت قوس عمود بر قوس خود هدایت می‌شود. شکل زیر یک نمودار اسکیمی از اصل جت متقاطع در این نوع قطع‌کننده مدار ارائه می‌دهد. هنگامی که بازوی تماس متحرک در یک فضای محدود عمل می‌کند، قوسی ایجاد می‌شود. بلافاصله، جت هوا به صورت متقاطع این قوس را به سمت صفحات جداکننده می‌برد. صفحات جداکننده قوس را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کنند و انرژی آن را پخش می‌کنند. این فرآیند به طور مؤثر قوس را به حدی ضعیف می‌کند که پس از عبور جریان از صفر، انرژی کافی برای بازتاب مجدد نداشته باشد و قطع موفقیت‌آمیز مدار الکتریکی را تضمین می‌کند.
سوئیچ مقاومت و محدودیت‌های قطع‌کننده‌های مدار هوایی
سوئیچ مقاومت
معمولاً سوئیچ مقاومت در قطع‌کننده‌های مدار هوایی الزامی نیست. هنگامی که قوس خاموش می‌شود، به طور ذاتی مقاومتی ایجاد می‌کند که به تنظیم ولتاژ بازتاب موقت کمک می‌کند. با این حال، اگر مقاومت اضافی برای کاربردهای خاص مفید باشد، می‌توان آن را با اتصال مقاومتی به بخش جداکننده قوس اضافه کرد. این مقاومت اضافی لایه اضافی کنترل بر ولتاژ موقت ارائه می‌دهد و عملکرد قطع‌کننده مدار را در شرایط خاصی بهبود می‌بخشد.
محدودیت‌های قطع‌کننده‌های مدار هوایی
یکی از محدودیت‌های اصلی قطع‌کننده‌های مدار هوایی نیاز دقیق به تأمین مستمر هوا فشرده با فشار دقیق است. برای اطمینان از این دسترسی، نیاز به نصب‌های در مقیاس بزرگ با دو یا چند فشرده‌کننده وجود دارد. نگهداری این پیچیده‌ترین نیروگاه فشرده‌سازی کاری کوچک نیست؛ نیاز به نگهداری منظم برای حفظ کارایی فشرده‌کننده‌ها و حل مشکلات مکانیکی که ممکن است بروز کند دارد.
علاوه بر این، ریزش هوا در اتصالات لوله‌ها مشکل دائمی است. حتی ریزش‌های کوچک نیز می‌توانند به تدریج فشار هوا را کاهش دهند و عملکرد قطع‌کننده مدار را مختل کنند. شناسایی و رفع این ریزش‌ها می‌تواند زمان‌بر و کاری سنگین باشد. این چالش‌های نگهداری، به همراه نیاز به سیستم پیچیده تأمین هوا، به هزینه‌های عملیاتی بالاتر می‌انجامند.
در مقایسه با روغن یا سایر انواع قطع‌کننده‌های مدار هوایی، قطع‌کننده‌های مدار هوایی برای کاربردهای ولتاژ پایین بسیار گران‌قیمت هستند. زیرساخت‌های گسترده مورد نیاز برای تولید هوا فشرده و هزینه‌های نگهداری مرتبط با آن آن‌ها را در مواقعی که ولتاژ پایین‌تر مورد نظر است کم‌هزینه‌تر نمی‌کند و از استفاده گسترده آن‌ها در چنین مواردی ممانعت می‌کند.
