یک مقاله برای درک نحوه انتخاب پارامترهای مکانیکی دیودهای خلاء

1. نرخ شکاف تماس

وقتی که قطع کننده خلاء در حالت باز است، فاصله بین تماس‌های متحرک و ثابت در داخل مدار قطع‌کننده خلاء به عنوان نرخ شکاف تماس شناخته می‌شود. این پارامتر توسط چندین عامل تحت تأثیر قرار می‌گیرد، از جمله ولتاژ اسمی قطع‌کننده، شرایط عملکردی، طبیعت جریان قطع، مواد تماس و قدرت دی الکتریک شکاف خلاء. این پارامتر عمدتاً به ولتاژ اسمی و ماده تماس بستگی دارد.

نرخ شکاف تماس به طور قابل توجهی بر عملکرد عایقی تأثیر می‌گذارد. با افزایش شکاف از صفر، قدرت دی الکتریک بهبود می‌یابد. با این حال، فراتر از یک نقطه معین، افزایش بیشتر شکاف بازدهی کاهش یافته و ممکن است عمر مکانیکی مدار قطع‌کننده را به شدت کاهش دهد.

بر اساس تجربیات نصب، عملیات و نگهداری، محدوده‌های معمول نرخ شکاف تماس عبارتند از:

• 6kV و زیر آن: 4–8 میلی‌متر

• 10kV و زیر آن: 8–12 میلی‌متر

• 35kV: 20–40 میلی‌متر

2. سفر تماس (سفر اضافی)

سفر تماس باید به گونه‌ای انتخاب شود که حتی پس از اپرتی تماس، فشار تماس کافی حفظ شود. همچنین این سفر به تماس متحرک انرژی جنبشی اولیه در حین باز شدن می‌دهد که سرعت باز شدن اولیه را افزایش می‌دهد و به شکستن پیوندهای لحیم شده، کاهش زمان قوس الکتریکی و تسریع بازیابی دی الکتریک کمک می‌کند. در حین بسته شدن، این سفر به فنر تماس اجازه می‌دهد تا بافت‌دهی صافی ایجاد کند و لرزش تماس را به حداقل برساند.

اگر سفر تماس خیلی کم باشد:

• فشار تماس کافی پس از اپرتی

• سرعت باز شدن اولیه پایین، که تأثیر منفی بر ظرفیت قطع و پایداری حرارتی دارد

• لرزش و ارتعاش شدید در حین بسته شدن

اگر سفر تماس خیلی زیاد باشد:

• نیاز به انرژی بسته شدن بیشتر

• کاهش قابلیت اطمینان عملیات بسته شدن

معمولاً، سفر تماس 20٪-40٪ از نرخ شکاف تماس است. برای قطع‌کننده‌های خلاء 10kV، این مقدار معمولاً 3-4 میلی‌متر است.

3. فشار عملیاتی تماس

فشار عملیاتی تماس‌های قطع‌کننده خلاء تأثیر قابل توجهی بر عملکرد دارد. این فشار مجموع نیروی خودبسته‌سازی ذاتی مدار قطع‌کننده خلاء و نیروی فنر تماس است. انتخاب صحیح باید چهار نیاز را برآورده کند:

• حفظ مقاومت تماس در محدوده مشخص شده

• برآورده کردن نیازهای آزمون پایداری دینامیکی

• کاهش لرزش بسته شدن

• کاهش لرزش باز شدن

بسته شدن در حالت جریان کوتاه‌مداری شرایط بسیار سختی است: جریان‌های قبل از قوس الکتریکی نیروی مغناطیسی دفع ایجاد می‌کنند که منجر به لرزش تماس می‌شود، در حالی که سرعت بسته شدن در حداقل است. این سناریو به طور حیاتی آزمایش می‌کند که آیا فشار تماس کافی است.

اگر فشار تماس خیلی کم باشد:

• زمان لرزش بسته شدن بیشتر

• مقاومت مدار اصلی بالاتر، که منجر به افزایش دما در حین عملیات مداوم می‌شود

اگر فشار تماس خیلی زیاد باشد:

• نیروی فنر بیشتر (چون نیروی خودبسته‌سازی ثابت است)

• نیاز به انرژی بسته شدن بیشتر

• ضربه و لرزش بیشتر بر روی مدار قطع‌کننده خلاء، که می‌تواند باعث آسیب شود

در عمل، نیروی الکترومغناطیس تماس نه تنها به جریان کوتاه‌مداری ماکزیمم بستگی دارد، بلکه به ساختار تماس، اندازه، سختی و سرعت باز شدن نیز بستگی دارد. رویکرد جامع ضروری است.

داده‌های تجربی برای فشار تماس بر اساس جریان قطع:

• 12.5 kA: 50 کیلوگرم

• 16 kA: 70 کیلوگرم

• 20 kA: 90–120 کیلوگرم

• 31.5 kA: 140–180 کیلوگرم

• 40 kA: 230–250 کیلوگرم

4. سرعت باز شدن

سرعت باز شدن به طور مستقیم بر نرخ بازیابی قدرت دی الکتریک پس از صفر شدن جریان تأثیر می‌گذارد. اگر بازیابی قدرت دی الکتریک کندتر از افزایش ولتاژ بازیابی باشد، ممکن است قوس الکتریکی دوباره روشن شود. برای جلوگیری از روشن شدن مجدد و کاهش زمان قوس الکتریکی، داشتن سرعت باز شدن کافی ضروری است.

سرعت باز شدن عمدتاً به ولتاژ اسمی بستگی دارد. برای ولتاژ ثابت و شکاف تماس، سرعت مورد نیاز با جریان قطع، نوع بار و ولتاژ بازیابی متغیر است. جریان‌های قطع بالاتر و جریان‌های ظرفیتی (با ولتاژ بازیابی بالا) نیاز به سرعت باز شدن بالاتری دارند.

سرعت باز شدن معمول برای قطع‌کننده‌های خلاء 10kV: 0.8–1.2 متر بر ثانیه، گاهی اوقات بیش از 1.5 متر بر ثانیه.

در عمل، سرعت اولیه باز شدن (که در چند میلی‌متر اول اندازه‌گیری می‌شود) تأثیر بیشتری بر عملکرد قطع دارد نسبت به سرعت میانگین. قطع‌کننده‌های با عملکرد بالا و 35kV اغلب این سرعت اولیه را مشخص می‌کنند.

اگرچه سرعت بالاتر به نظر مفید می‌رسد، سرعت بیش از حد باعث افزایش لرزش باز شدن و سفر اضافی می‌شود، که تنش بر روی بلورها را افزایش می‌دهد و منجر به خستگی زودرس و نشت می‌شود. همچنین تنش مکانیکی بر روی مکانیسم را افزایش می‌دهد و خطر شکست قطعات را افزایش می‌دهد.

5. سرعت بسته شدن

به دلیل قدرت دی الکتریکی استاتیکی بالای مدارهای قطع‌کننده خلاء در شکاف اسمی، سرعت بسته شدن به طور قابل توجهی کمتر از سرعت باز شدن است. سرعت بسته شدن کافی برای کاهش فرسایش الکتریکی قبل از قوس و جلوگیری از لحیم شدن تماس‌ها ضروری است. با این حال، سرعت بسته شدن بیش از حد باعث افزایش انرژی بسته شدن و اعمال ضربه بیشتر به مدار قطع‌کننده می‌شود و عمر مفید را کاهش می‌دهد.

سرعت بسته شدن معمول برای قطع‌کننده‌های خلاء 10kV: 0.4–0.7 متر بر ثانیه، تا 0.8–1.2 متر بر ثانیه اگر مورد نیاز باشد.

6. زمان لرزش بسته شدن

زمان لرزش بسته شدن یک شاخص مهم عملکرد قطع‌کننده خلاء است. این زمان توسط فشار تماس، سرعت بسته شدن، شکاف تماس، ماده تماس، طراحی مدار قطع‌کننده، ساختار قطع‌کننده و کیفیت نصب/تنظیم تحت تأثیر قرار می‌گیرد.

زمان لرزش کوتاه‌تر نشان‌دهنده عملکرد بهتر است. لرزش بیش از حد باعث فرسایش الکتریکی شدید، افزایش خطر ولتاژ بالا و ممکن است منجر به لحیم شدن تماس‌ها در عملیات قطع کوتاه‌مداری یا تغییر ظرفیت‌ها، همچنین در آزمون‌های پایداری حرارتی شود. لرزش طولانی همچنین خستگی بلورها را تسریع می‌کند.

برای قطع‌کننده‌های خلاء 10kV با تماس‌های مس-کروم، زمان لرزش بسته شدن نباید بیش از 2 میلی‌ثانیه باشد. برای مواد دیگر، ممکن است کمی بیشتر باشد اما نباید بیش از 5 میلی‌ثانیه باشد.

7. همزمانی سه‌قطبی

همزمانی سه‌قطبی میزان همزمانی بسته شدن یا باز شدن سه قطب را اندازه‌گیری می‌کند. چون مقادیر همزمانی باز شدن و بسته شدن مشابه هستند، فقط همزمانی بسته شدن معمولاً مشخص می‌شود.

همزمانی ضعیف به طور قابل توجهی ظرفیت قطع را کاهش می‌دهد و زمان قوس الکتریکی را افزایش می‌دهد. به دلیل سرعت‌های عملکردی سریع و شکاف‌های کوچک، تنظیم دقیق می‌تواند به راحتی نیازها را برآورده کند. همزمانی بسته شدن معمولاً باید در محدوده 1 میلی‌ثانیه باشد.

8. ترازبندی تماس‌های متحرک و ثابت (هم‌محوری)

ترازبندی صحیح تماس‌های متحرک و ثابت برای عملکرد مدار قطع‌کننده خلاء بسیار مهم است و از طریق دقت ساخت تضمین می‌شود. این ترازبندی پس از نصب بستگی به نوع مکانیسم عملکردی و فرآیند مونتاژ دارد.

برای مکانیسم‌های معلق، ترازبندی عمدتاً توسط خود مکانیسم تعیین می‌شود. برای نوع زمینی، ترازبندی مکانیکی نیز بسیار مهم است. در زمان نصب، از اعمال نیروهای برشی یا جانبی به مدار قطع‌کننده خلاء پرهیز کنید.

محدوده معمول هم‌محوری: ≤2 میلی‌متر.