ตัวตัดวงจรแบบลมพ่น: การทำงาน ข้อดี และประเภท

ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นใช้ลมอัดหรือก๊าซเป็นสื่อในการตัดวงจรไฟฟ้า เมื่อจำเป็นต้องใช้ ลมอัดที่ถูกเก็บไว้ในถังจะถูกปล่อยผ่านหัวฉีดเพื่อก่อให้เกิดกระแสลมความเร็วสูง กระแสลมนี้มีบทบาทสำคัญในการทำลายอาร์คไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อตัวตัดวงจรตัดการไหลของไฟฟ้า

ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นมักใช้สำหรับการใช้งานภายในอาคารในช่วงแรงดันปานกลางถึงสูง พร้อมกับความสามารถในการตัดวงจรปานกลาง โดยทั่วไปแล้ว เหมาะสำหรับแรงดันสูงสุด 15 kV และความสามารถในการตัดวงจร 2500 MVA นอกจากนี้ยังใช้ในสถานีสวิตช์ภายนอกอาคารสำหรับสายไฟ 220 kV

แม้ว่าก๊าซต่างๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน ฟรีออน หรือไฮโดรเจน อาจใช้เป็นสื่อในการตัดอาร์คไฟฟ้าได้ แต่ลมอัดได้กลายเป็นตัวเลือกที่นิยมสำหรับตัวตัดวงจรแบบลมพ่น มีเหตุผลหลายประการสำหรับการเลือกใช้ลมอัด:

• ไนโตรเจน: ความสามารถในการตัดวงจรเทียบเคียงกับลมอัด ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในด้านประสิทธิภาพ

• คาร์บอนไดออกไซด์: ข้อเสียสำคัญคือการควบคุมการไหลยาก มีแนวโน้มที่จะแข็งตัวที่วาล์วและทางเดินแคบ ซึ่งอาจทำให้การทำงานของตัวตัดวงจรไม่เหมาะสม

• ฟรีออน: แม้จะมีกำลังดีเอลิคทริกสูงและคุณสมบัติในการทำลายอาร์คไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม แต่ราคามักสูงมาก นอกจากนี้เมื่อสัมผัสกับอาร์คไฟฟ้ายังสามารถแตกตัวเป็นธาตุที่ก่อให้เกิดกรด ซึ่งเป็นอันตรายต่ออุปกรณ์และสภาพแวดล้อมรอบข้าง

ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นมีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการ:

• การทำงานความเร็วสูง: ในระบบไฟฟ้าเชื่อมโยงขนาดใหญ่ การรักษาเสถียรภาพของระบบเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นมีประสิทธิภาพในการนี้เนื่องจากเวลาที่สั้นระหว่างการปล่อยสัญญาณกระตุ้นและการแยกตัวของคอนแทค ความรวดเร็วนี้ช่วยลดผลกระทบของความผิดปกติบนระบบไฟฟ้าโดยรวม

• เหมาะสมสำหรับการใช้งานบ่อยครั้ง: ต่างจากตัวตัดวงจรที่ใช้น้ำมัน ซึ่งสามารถเผาไหม้และเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วด้วยการสลับเปิดปิดบ่อยๆ ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นสามารถทนทานต่อการใช้งานบ่อยครั้ง การไม่มีน้ำมันหมายความว่ามีการสึกหรอของพื้นผิวคอนแทคที่นำไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องมั่นใจว่ามีการจ่ายลมอัดอย่างต่อเนื่องและเพียงพอเมื่อคาดว่าจะมีการสลับเปิดปิดบ่อยครั้ง

• การบำรุงรักษาต่ำ: ความสามารถในการจัดการการสลับเปิดปิดบ่อยครั้งได้ง่ายทำให้ลดความต้องการในการบำรุงรักษา ซึ่งไม่เพียงแต่ประหยัดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา แต่ยังเพิ่มความน่าเชื่อถือและความพร้อมใช้งานของตัวตัดวงจร

• การกำจัดอันตรายจากการไฟไหม้: เนื่องจากตัวตัดวงจรแบบลมพ่นไม่มีน้ำมัน ความเสี่ยงของการเกิดไฟไหม้ที่เกี่ยวข้องกับตัวตัดวงจรที่ใช้น้ำมันถูกกำจัดออกไป ทำให้เป็นตัวเลือกที่ปลอดภัยกว่าสำหรับการติดตั้งไฟฟ้า

• ขนาดเล็ก: การเติบโตอย่างรวดเร็วของกำลังดีเอลิคทริกในตัวตัดวงจรแบบลมพ่นทำให้ช่องว่างสุดท้ายที่ต้องการสำหรับการทำลายอาร์คไฟฟ้าเล็กลง การออกแบบที่กะทัดรัดนี้ทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็ก สามารถรวมเข้ากับระบบไฟฟ้าได้ง่ายและใช้พื้นที่น้อยลง

หลักการในการทำลายอาร์คไฟฟ้า

ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นพึ่งพาระบบลมอัดเพิ่มเติมเพื่อจ่ายลมไปยังถังลม เมื่อตัวตัดวงจรต้องเปิด ลมอัดจะถูกนำไปยังห้องทำลายอาร์คไฟฟ้า ลมความดันสูงนี้จะออกแรงต่อคอนแทคที่เคลื่อนที่ ทำให้แยกออกจากกัน เมื่อคอนแทคแยกออกจากกัน ลมพ่นจะกวาดแก๊สที่ถูกไอออนิซ์โดยอาร์คไฟฟ้าออกไป ทำให้สามารถทำลายอาร์คไฟฟ้าได้

อาร์คไฟฟ้ามักถูกทำลายภายในหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งวงจร หลังจากอาร์คไฟฟ้าถูกทำลาย ห้องอาร์คไฟฟ้าจะเต็มไปด้วยลมความดันสูง ซึ่งช่วยป้องกันการเกิดอาร์คใหม่ ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นอยู่ในหมวดของพลังงานทำลายภายนอก พลังงานที่ใช้ในการทำลายอาร์คไฟฟ้ามาจากลมความดันสูง ไม่ขึ้นอยู่กับกระแสที่ถูกตัด

ประเภทของตัวตัดวงจรแบบลมพ่น

ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นทั้งหมดทำงานตามหลักการของการแยกคอนแทคในกระแสลมที่สร้างโดยการเปิดวาล์วลม อาร์คไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะถูกศูนย์กลางอย่างรวดเร็วผ่านหัวฉีด ซึ่งจะถูกควบคุมให้มีความยาวคงที่และได้รับแรงสูงสุดจากกระแสลม ตามทิศทางของลมพ่นรอบคอนแทค ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท:

• ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นตามแกน (Axial Blast Air Circuit Breaker): ในประเภทนี้ กระแสลมขนานกับอาร์คไฟฟ้า ไหลตามความยาวของอาร์ค ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นตามแกนสามารถแบ่งออกเป็นแบบลมพ่นเดี่ยวหรือลมพ่นคู่ บางการจัดเรียงลมพ่นคู่ ที่ลมพ่นไหลเข้ามาทางรัศมีในหัวฉีดหรือพื้นที่ระหว่างคอนแทค บางครั้งเรียกว่าตัวตัดวงจรแบบลมพ่นตามรัศมี แม้ว่าจะมีแนวคิดการออกแบบตามแกนเป็นหลัก

โครงสร้างและวิธีการทำงานพื้นฐานของตัวตัดวงจรแบบลมพ่นแสดงในแผนภาพด้านบน ภายใต้เงื่อนไขการใช้งานปกติ คอนแทคที่คงที่และคอนแทคที่เคลื่อนที่จะอยู่ในสถานะปิด ถูกยึดด้วยแรงที่ออกโดยสปริง ถังเก็บลมเชื่อมต่อกับห้องอาร์คไฟฟ้าผ่านวาล์วลม วาล์วนี้ถูกเปิดโดยกลไกกระตุ้นสามชั้น ซึ่งจะทำให้เปิดเมื่อเกิดความผิดปกติหรือต้องการตัดกระแสไฟฟ้า

เมื่อเกิดความผิดปกติในระบบไฟฟ้า สัญญาณกระตุ้นจะเป็นตัวเริ่มต้นการกระทำ สัญญาณนี้จะเปิดวาล์วลมที่เชื่อมต่อถังลมกับห้องอาร์คไฟฟ้า ทำให้เปิด ขณะที่ลมความดันสูงจากถังลมไหลเข้าห้องอาร์คไฟฟ้า จะออกแรงต่อคอนแทคที่เคลื่อนที่ เมื่อแรงลมสูงกว่าแรงต้านทานที่สปริงให้ คอนแทคที่เคลื่อนที่จะเริ่มแยกตัว ทำให้กระบวนการตัดกระแสไฟฟ้าและทำลายอาร์คไฟฟ้าเริ่มต้น

เมื่อคอนแทคแยกตัวเนื่องจากแรงของลมความเร็วสูง อาร์คไฟฟ้าจะเกิดขึ้นระหว่างคอนแทค ลมที่ไหลด้วยความเร็วสูงตามแกนของอาร์คจะทำให้ความร้อนออกจากขอบของอาร์ค เมื่อกระแสใกล้ศูนย์ การดูดความร้อนอย่างต่อเนื่องนี้จะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของอาร์คลดลงอย่างมาก ณ จุดที่กระแสเป็นศูนย์ อาร์คจะถูกตัดอย่างสำเร็จ จากนั้นลมสดที่ไหลผ่านหัวฉีดจะเติมพื้นที่ระหว่างคอนแทค กระแสลมสดนี้จะกำจัดแก๊สที่ร้อนและถูกไอออนิซ์ที่อยู่ในพื้นที่คอนแทค ทำให้ฟื้นฟูกำลังดีเอลิคทริกระหว่างคอนแทคอย่างรวดเร็วและป้องกันการเกิดอาร์คใหม่

ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นตามรัศมี

ในตัวตัดวงจรแบบลมพ่นตามรัศมี กลไกในการทำลายอาร์คไฟฟ้าทำงานต่างกัน ที่นี่ อาร์คลมพ่นถูกกำหนดให้เป็นตั้งฉากกับอาร์คไฟฟ้า แผนภาพด้านล่างให้ภาพรวมของหลักการลมพ่นตามรัศมีที่ใช้ในตัวตัดวงจรประเภทนี้ เมื่อแขนคอนแทคที่เคลื่อนที่ถูกกระตุ้นในพื้นที่จำกัด อาร์คไฟฟ้าจะเกิดขึ้น ทันทีที่ลมพ่นตามรัศมีพุ่งเข้าไป อาร์คนี้จะถูกดันไปยังแผ่นแยก อาร์คจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนย่อยๆ ทำให้พลังงานกระจาย กระบวนการนี้ทำให้อาร์คอ่อนแอลงจนเมื่อกระแสผ่านศูนย์ อาร์คจะไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะเกิดขึ้นใหม่ ทำให้การตัดวงจรไฟฟ้าสำเร็จ

การสลับเปิดปิดด้วยความต้านทานและการขาดแคลนของตัวตัดวงจรแบบลมพ่น

การสลับเปิดปิดด้วยความต้านทาน

โดยทั่วไป การสลับเปิดปิดด้วยความต้านทานไม่จำเป็นอย่างสมบูรณ์ในตัวตัดวงจรแบบลมพ่น เมื่ออาร์คถูกทำลาย มันจะสร้างความต้านทานบางส่วนโดยธรรมชาติ ซึ่งช่วยควบคุมแรงดันชั่วขณะที่เกิดขึ้นใหม่ อย่างไรก็ตาม หากความต้านทานเพิ่มเติมถูกมองว่าเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานเฉพาะ ก็สามารถเพิ่มได้โดยการเชื่อมต่อความต้านทานข้ามส่วนแยกอาร์ค ความต้านทานเพิ่มเติมนี้ให้การควบคุมเพิ่มเติมต่อแรงดันชั่วขณะ ทำให้ประสิทธิภาพของตัวตัดวงจรดีขึ้นในบางสถานการณ์

ข้อเสียของตัวตัดวงจรแบบลมพ่น

ข้อจำกัดสำคัญของตัวตัดวงจรแบบลมพ่นคือความต้องการที่เคร่งครัดสำหรับการจ่ายลมอัดอย่างต่อเนื่องที่ความดันที่แน่นอน เพื่อให้แน่ใจว่ามีการจ่ายลมอัดอย่างต่อเนื่อง ต้องมีการติดตั้งขนาดใหญ่ โดยทั่วไปมีคอมเพรสเซอร์สองหรือมากกว่า ในการดูแลรักษาระบบการอัดอากาศที่ซับซ้อนนี้เป็นงานที่ไม่เบา มันต้องการการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้คอมเพรสเซอร์ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพและแก้ไขปัญหาทางกลใด ๆ ที่อาจเกิดขึ้น

นอกจากนี้ การรั่วไหลของลมที่ข้อต่อท่อเป็นปัญหาที่ยั่งยืน แม้กระทั่งการรั่วไหลเล็ก ๆ น้อย ๆ ก็สามารถลดความดันลมลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป ทำให้ประสิทธิภาพของตัวตัดวงจรลดลง การตรวจพบและแก้ไขการรั่วไหลเหล่านี้อาจใช้เวลานานและใช้แรงงานมาก ความท้าทายในการบำรุงรักษาเหล่านี้ ร่วมกับความต้องการระบบจ่ายลมอัดที่ซับซ้อน ทำให้ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานสูงขึ้น

เมื่อเทียบกับตัวตัดวงจรที่ใช้น้ำมันหรือประเภทอื่น ๆ ของตัวตัดวงจรแบบลมพ่น ตัวตัดวงจรแบบลมพ่นมีราคาแพงมากสำหรับการใช้งานแรงดันต่ำ โครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการสร้างลมอัดและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่เกี่ยวข้องทำให้ไม่คุ้มค่าในสถานการณ์ที่มีแรงดันต่ำ จำกัดการใช้งานอย่างกว้างขวางในบริบทดังกล่าว