اول: قوس الکتریکی در قطع شدن مدار چیست؟
قبل از اینکه به بررسی نحوه خاموش کردن قوس توسط VCB ها بپردازیم، اجازه دهید به طور خلاصه بیان کنیم که قوس الکتریکی چیست. هنگامی که یک قطع کننده مدار باز می شود تا جریان جریان را قطع کند، کنتاکت ها از هم جدا می شوند. در لحظه جدا شدن، ولتاژ بالا بین کنتاکت ها، محیط اطراف (هوا، گاز یا در این مورد خلاء) را یونیزه می کند و یک مسیر رسانا از ذرات باردار (الکترون ها و یون ها) ایجاد می کند. این مسیر رسانا نور و گرمای شدیدی را ساطع میکند-به آن قوس الکتریکی میگوییم. هدف اصلی هر قطع کننده مدار، خاموش کردن سریع این قوس و ایجاد شکاف عایق بین کنتاکت ها برای جلوگیری از احتراق مجدد، تضمین قطعی ایمن و مطمئن مدار است.
چرا جاروبرقی یک کمان{0}}محیط خاموش کننده عالی است
برخلاف دیگر کلیدهای مدار که از هوا، روغن، یا گاز SF6 به عنوان رسانه خاموش کننده قوس استفاده می کنند، VCB ها از محیط خلاء بالا (معمولاً 10-4 تا 10-6 Pa) استفاده می کنند. خواص منحصر به فرد خلاء آن را برای خاموش کردن قوس ایده آل می کند:
چگالی ذرات کم: خلاء حاوی مولکول های گاز بسیار کمی است. این بدان معنی است که تقریباً هیچ ذره ای برای یونیزه شدن وجود ندارد، که توانایی قوس برای حفظ خود را محدود می کند. در مقابل، در شکنهای پر از هوا یا گاز، مولکولهای گاز یونیزه شده همچنان به هدایت خود ادامه میدهند و قوس را طولانی میکنند.
استحکام دی الکتریک بالا: پس از خاموش شدن قوس، شکاف خلاء بین کنتاکت ها دارای قدرت عایق بسیار بالایی است. این امر از احتراق مجدد قوس حتی در ولتاژهای بازیابی بالا جلوگیری می کند، که عاملی حیاتی برای قطع موفقیت آمیز است.
بدون باقی مانده: برخلاف روغن یا SF₆، خلاء هیچ باقیمانده مضر یا محصولات جانبی باقی نمیگذارد و باعث میشود VCBها سازگار با محیطزیست بوده و تعمیر و نگهداری کم- داشته باشند.
فرآیند خاموش شدن قوس در مدار شکن های خلاء
خاموش شدن قوس در VCB ها یک فرآیند پویا است که در چندین مرحله کلیدی با جدا شدن کنتاکت ها رخ می دهد. بیایید آن را مرحله به مرحله تجزیه کنیم:
1. احتراق قوس و انبساط اولیه
هنگامی که مدار شکن سیگنال قطع را دریافت می کند، کنتاکت متحرک شروع به جدا شدن از کنتاکت ثابت می کند. همانطور که کنتاکت ها شروع به جدا شدن می کنند، چگالی جریان در شکاف باریک بین آنها به طور چشمگیری افزایش می یابد و باعث تبخیر سطوح فلزی کنتاکت ها می شود. این بخار فلزی رسانه رسانای اولیه برای قوس در خلاء است (زیرا گازی برای یونیزه شدن وجود ندارد). قوس در این بخار فلزی مشتعل می شود و در ابتدا یک ستون قوس کوچک و شدید بین کنتاکت ها تشکیل می دهد.
2. انقباض و انتشار قوس
در مراحل اولیه، قوس در نقطه کوچکی روی سطوح تماس متمرکز می شود. با این حال، دو پدیده کلیدی برای پراکنده کردن قوس به سرعت وارد عمل می شوند:نیروی مغناطیسیوانتشار حرارتی. بسیاری از VCB ها با میدان مغناطیسی محوری (AMF) یا میدان مغناطیسی عرضی (TMF) طراحی شده اند. این کنتاکت ها یک میدان مغناطیسی ایجاد می کنند که با جریان قوس در تعامل است و قوس را مجبور می کند حرکت کند و در تمام سطح کنتاکت ها پخش شود. این گسترش (به نام "شکاف قوس") چگالی جریان را در هر نقطه کاهش می دهد و از فرسایش تماس بیش از حد جلوگیری می کند و قوس را خنک می کند.
در همان زمان، بخار فلز از کنتاکت ها به سرعت در محیط خلاء پخش می شود. از آنجایی که خلاء مولکولی ندارد که با آن برخورد کند، بخار با سرعت زیاد به سمت بیرون منبسط می شود و از ستون قوس دور می شود. این انتشار، محیط رسانا (بخار فلز) را که قوس را حفظ می کند، حذف می کند.
3. Current Zero و Arc Extinction
برای مدارهای AC (متداول ترین کاربرد برای VCBها)، جریان به طور طبیعی متناوب می شود و دو بار در هر سیکل از نقطه "جریان صفر" عبور می کند (مثلاً AC 50 هرتز دارای 100 صفر جریان در ثانیه است). این صفر فعلی لحظه بحرانی برای خاموش شدن قوس در VCB است.
با نزدیک شدن جریان به صفر، انرژی عرضه شده به قوس کاهش می یابد. ستون قوس کوچک می شود و تولید بخار فلز از کنتاکت ها به طور قابل توجهی کاهش می یابد. تا زمانی که جریان به صفر می رسد، بخار فلز باقیمانده قبلاً از شکاف تماسی پخش شده است. بدون یک محیط رسانا برای حفظ آن، قوس خاموش می شود.
4. پست{1}}انقراض: بازیابی شکاف و ایجاد قدرت دی الکتریک-افزایش
پس از خاموش شدن قوس، شکاف خلاء بین کنتاکت ها باید به سرعت قدرت دی الکتریک خود را بازیابی کند تا در برابر ولتاژ بازیابی گذرا (TRV) که از جریان صفر پیروی می کند مقاومت کند. در خلاء، این بازیابی بسیار سریع است زیرا: (1) هیچ مولکول گاز یونیزه باقی مانده ای وجود ندارد که به آرامی دوباره ترکیب شود، و (2) سطوح تماس به سرعت سرد می شوند و انتشار بیشتر بخار فلز را متوقف می کنند. در عرض میکروثانیه، قدرت دی الکتریک شکاف خلاء تا حدی افزایش مییابد که میتواند در برابر TRV مقاومت کند و از احتراق مجدد جلوگیری میکند و از قطع ایمن مدار اطمینان حاصل میکند.
عوامل کلیدی موثر بر انقراض قوس در VCB
چندین عامل طراحی و عملیاتی بر نحوه موثر خاموش کردن قوس توسط یک VCB تأثیر میگذارند:
مواد تماس: مخاطبین معمولاً از آلیاژهای مس-کروم (CuCr) ساخته میشوند. این آلیاژها دارای نقطه ذوب بالا، فشار بخار کم و رسانایی عالی هستند که تولید بخار فلز و فرسایش تماسی را کاهش می دهند.
طراحی تماس: کنتاکت های AMF و TMF برای گسترش قوس حیاتی هستند. کنتاکت های AMF، به طور گسترده ای در VCB های مدرن استفاده می شوند، زیرا یک میدان مغناطیسی یکنواخت ایجاد می کنند که قوس را تثبیت می کند و از انقباض آن جلوگیری می کند و انقراض را افزایش می دهد.
سطح خلاء: خلاء بالاتر (فشار کمتر) با کاهش مولکول های گاز باقیمانده، خاموشی قوس را بهبود می بخشد. سازندگان VCB برای اطمینان از عملکرد طولانی مدت، خلاء را در محفظه قوس محکم میبندند و حفظ میکنند.
سرعت جداسازی تماس: جداسازی سریعتر تماسها، زمان ماندگاری قوس را کاهش میدهد، بهویژه برای وقفههای{0} جریان بالا. VCBها از مکانیسمهای سرعت بالا استفاده میکنند (مثلاً فنر-) برای اطمینان از جداسازی سریع تماس.
نتیجه گیری: مزایای خاموش شدن قوس خلاء
علم پشت خاموش شدن قوس در قطع کننده های مدار خلاء از خواص منحصر به فرد خلاء-چگالی ذرات کم، استحکام دی الکتریک بالا و بدون باقیمانده{1}}برای ایجاد یک فرآیند وقفه سریع، قابل اعتماد و سازگار با محیط زیست استفاده می کند. VCB ها با کنترل قوس از طریق میدان های مغناطیسی، استفاده از مواد تماس با کارایی بالا-و استفاده از جریان صفر طبیعی در مدارهای AC، به طور موثر قوس ها را خاموش کرده و از سیستم های قدرت در برابر خطا محافظت می کنند.
چه در کارخانههای صنعتی، چه در تأسیسات انرژیهای تجدیدپذیر یا شبکههای برق شهری، VCBها همچنان سنگ بنای حفاظت از برق مدرن هستند، تا حد زیادی به لطف قابلیتهای خاموش کردن قوس- استثناییشان. دفعه بعد که یک VCB را در حال عمل مشاهده کردید (یا بهتر است بگوییم، نه در عمل، زیرا آنها طوری طراحی شده اند که یکپارچه کار کنند!)، علم شگفت انگیزی را خواهید شناخت که چراغ ها را روشن و سیستم را ایمن نگه می دارد.
