میانبرکرهای خلأ در مقابل میانبرکرهای هوا: تفاوت‌های کلیدی

قاطع‌های مدار هوایی کم‌ولتاژ در مقابل قاطع‌های مدار خلاء: ساختار، عملکرد و کاربرد

قاطع‌های مدار هوایی کم‌ولتاژ، که به عنوان قاطع‌های مدار جامد یا قاب‌پرداز (MCCBs) نیز شناخته می‌شوند، برای ولتاژ‌های متناوب 380/690V و ولتاژ‌های مستقیم تا 1500V طراحی شده‌اند، با جریان‌های اسمی از 400A تا 6300A یا حتی 7500A. این قاطع‌ها از هوا به عنوان ماده خاموش‌کننده قوس استفاده می‌کنند. قوس از طریق افزایش طول، تقسیم و خنک‌سازی توسط چاه قوس (راننده قوس) خاموش می‌شود. این قاطع‌ها می‌توانند جریان‌های کوتاه‌مداری تا 50kA، 80kA، 100kA یا حتی 150kA را قطع کنند.

اجزاء اصلی و عملکرد

• مکانیسم عملیاتی: در جلوی قاطع قرار دارد و سرعت لازم برای جدا کردن و بستن تماس‌ها را فراهم می‌کند. حرکت سریع تماس‌ها به افزایش و خنک‌سازی قوس کمک می‌کند و خاموشی آن را تسهیل می‌کند.

• واحد قطع هوشمند: کنار مکانیسم عملیاتی نصب شده و "مغز" قاطع مدار کم‌ولتاژ است. این واحد از طریق حسگرها سیگنال‌های جریان و ولتاژ را دریافت می‌کند، پارامترهای الکتریکی را محاسبه می‌کند و آن‌ها را با تنظیمات محافظ LSIG پیش‌فرض مقایسه می‌کند:

• L: تأخیر بلندمدت (محافظ بیش‌بار)

• S: تأخیر کوتاه‌مدت (محافظ کوتاه‌مدار)

• I: فوری (قطع فوری)

• G: محافظ خطای زمین
  بر اساس این تنظیمات، واحد قطع سیگنال می‌دهد تا مکانیسم قاطع را در شرایط بیش‌بار یا کوتاه‌مدار باز کند و محافظت کامل را فراهم کند.

• آرومان و ترمینال‌ها: در عقب قاطع قرار دارند. آرومان شامل تماس‌ها و چاه قوس است. ترمینال‌های خروجی سه‌فازی پایین با دارایی‌های زیر مجهز شده‌اند:

• حسگرهای جریان الکترونیکی (برای ورودی سیگنال به واحد قطع)

• تبدیل‌کننده‌های جریان الکترومغناطیسی (CTs) (برای تأمین انرژی عملیاتی به واحد قطع)

مکانیسم عملیاتی معمولاً عمر مکانیکی کمتر از 10000 عملیات دارد.

تکامل از قطع هوایی به قطع خلاء

در تاریخ، قاطع‌های مدار هوایی ولتاژ متوسط وجود داشتند اما حجم بالا، ظرفیت قطع محدود و تولید قوس آتش‌سوزی (قوس غیرصفر) آن‌ها آن‌ها را ناامن و غیرعملی می‌کرد.

به طور متقابل، قاطع‌های مدار خلاء (VCBs) یک ترتیب کلی مشابه دارند: مکانیسم عملیاتی در جلو و قطع‌کننده در عقب. اما قطع‌کننده از یک قطع‌کننده خلاء (یا "فلسک خلاء") استفاده می‌کند که ساختاری مشابه لامپ گرمایی دارد - یک پوسته شیشه‌ای یا سرامیکی که به خلاء بالا خلاصه شده است.

در خلاء:

• فقط یک فاصله تماس کوچک برای رعایت معیارهای عایق و تحمل ولتاژ لازم است.

• قوس به سرعت خاموش می‌شود به دلیل فقدان مedium قابل یونیزاسیون و پخش موثر بخار فلزی.

کاربردهای قاطع‌های مدار خلاء

قاطع‌های مدار خلاء به سرعت توسعه یافته‌اند و حالا در سیستم‌های کم‌ولتاژ، متوسط‌ولتاژ و بالاولتاژ به طور گسترده استفاده می‌شوند:

• قاطع‌های مدار خلاء کم‌ولتاژ: معمولاً با ولتاژ اسمی 1.14kV، با جریان‌های اسمی تا 6300A و ظرفیت قطع کوتاه‌مدار تا 100kA.

• قاطع‌های مدار خلاء متوسط‌ولتاژ: بیشتر در محدوده 3.6–40.5kV، با جریان‌های تا 6300A و ظرفیت قطع تا 63kA. بیش از 95% از تجهیزات مدار متوسط‌ولتاژ اکنون از قطع خلاء استفاده می‌کنند.

• قاطع‌های مدار خلاء بالاولتاژ: قطع‌کننده‌های تک‌قطبی به 252kV رسیده‌اند و قطع‌کننده‌های مدار خلاء 550kV از طریق قطع‌کننده‌های سری‌پیوندی دست‌یافتنی شده‌اند.

تفاوت‌های طراحی کلیدی

مغ قاطع‌های مدار هوایی که از فنرهای تماس استفاده می‌کنند، قاطع‌های مدار خلاء نیاز دارند تا مکانیسم عملیاتی:

• سرعت کافی برای باز و بستن را فراهم کند

• فشار تماس کافی را تضمین کند

این فشار تماس حتی پس از 3mm از دست دادن تماس، باید برای انتقال جریان اسمی و تحمل جریان کوتاه‌مدت در مواقع خرابی کافی باشد.

مزایای قاطع‌های مدار خلاء

• قابلیت اطمینان و ایمنی بالا

• مقاوم در برابر شرایط محیطی (گرد و غبار، رطوبت، ارتفاع)

• عدم وجود قوس آتش‌سوزی (عدم قوس خارجی)

• حجم کوچک و فاصله‌های نگهداری طولانی

این مزایا قاطع‌های خلاء را برای استفاده در محیط‌های خطرناک مانند کارخانه‌های شیمیایی، معادن زغال‌سنگ و تسهیلات نفت و گاز مناسب می‌کند، جایی که ریسک انفجار و ایمنی آتش‌سوزی مهم است.

مطالعه موردی واقعی: عملکرد قاطع‌های مدار خلاء در مقابل قاطع‌های مدار هوایی در شرایط خرابی

یک کارخانه شیمیایی بزرگ دو قاطع مدار - یکی هوایی و یکی خلاء - را در ترتیب مداری یکسان نصب کرد و آن‌ها را در یک شرایط خرابی یکسان قرار داد.

مدار یک تیه بود که منابع برق در دو طرف قاطع غیرهمگام بودند. این باعث شد که ولتاژ موقتی در فاصله تماس به دو برابر ولتاژ اسمی نزدیک شود و منجر به خرابی قاطع شود.

نتایج:

• قاطع مدار هوایی:
  خرابی کامل را تجربه کرد. پوشش واحد قاطع پاره شد و تجهیزات مداری مجاور در دو طرف به طور جدی آسیب دید. بازسازی و تعویض گسترده لازم بود.

• قاطع مدار خلاء:
  خرابی به طور قابل توجهی کمتر خشک‌بار بود. پس از تعویض قطع‌کننده خلاء و تمیز کردن محصولات قوس (سیاه‌کننده) از قاطع و کمد، تجهیزات مداری به سرعت به خدمت بازگشتند.

نتیجه‌گیری

قاطع‌های مدار خلاء در مقایسه با قاطع‌های مدار هوایی، عملکرد بهتری در حفظ خرابی، ایمنی و قابلیت اطمینان دارند، به ویژه در شرایط ولتاژ‌های موقتی شدید. قطع‌کننده‌های خلاء بسته‌بندی شده آن‌ها از گسترش قوس جلوگیری می‌کنند و آسیب و توقف را به حداقل می‌رسانند.

در محیط‌های انفجاری یا قابل اشتعال مانند کارخانه‌های شیمیایی و معادن زغال‌سنگ، عملکرد بدون قوس و قوی قاطع‌های مدار خلاء مزیت فنی و ایمنی واضحی را ارائه می‌دهد.