محتویات مقاله
معرفی
کلید خلاء (Vacuum Circuit Breaker) نوعی قطع‌کننده مدار است که از خلاء بین الکترودها برای خاموش کردن قوس ایجاد شده در طول فرآیند قطع مدار استفاده می‌کند. به همین دلیل به آنها کلید خلاء می‌گویند. کلیدهای خلاء در دهه 1970 جایگزین کلیدهای نوع روغنی، و سپس در دهه 1980 جایگزین کلیدهای SF6 شدند. در یک کلید خلاء، خلاء از مرتبه 5-10 تا 7-10 torr می‌باشد که به عنوان خاموش کننده قوس الکتریکی استفاده می‌شود (جیوه 1 torr = 1 mm Hg). اساساً خلاء فشاری زیر فشار اتمسفر است که در آن هیچ گازی وجود ندارد. از این کلیدها برای اهداف کلیدزنی و حفاظت در سیستم قدرت استفاده می‌شود.
از این کلیدها برای قطع جریان الکتریکی استفاده می‌شود و یک وسیله ایمنی است که به طور خودکار جریان الکتریسیته را در صورت بروز خطای الکتریکی مانند اتصال کوتاه یا اضافه بار متوقف می‌کند. کلید خلاء برای محافظت از سیستم الکتریکی و جلوگیری از آسیب دیدن تجهیزات و پرسنل طراحی شده است.
عملکرد کلید خلاء بر این اساس است که خلاء به عنوان یک عایق عالی عمل می‌کند، به این معنی که می‌تواند از جریان الکتریکی بین دو سطح رسانا جلوگیری کند. در VCB، کلید خلاء از دو الکترود تشکیل شده که با فاصله کمی از هم قرار دارند و یک پوشش خلاء آنها را احاطه کرده است. هنگامی که یک خطای الکتریکی در سیستم رخ می‌دهد، جریانی که از مدار عبور می‌کند یک قوس الکتریکی بین دو الکترود ایجاد می‌کند. پوشش خلاء با جداسازی الکترودها و جلوگیری از یونیزه شدن محیط بین آنها جریان الکتریکی را متوقف کرده و قوس را خاموش می‌کند.
ساختار
دارای یک محفظه بیرونی شیشه‌ای است که با درپوش به هم وصل شده‌اند. از این محفظه شیشه‌ای برای بررسی کلید پس از عملیات استفاده می‌شود، اگر رنگ آن سفید شیری شود نشان‌دهنده این است که کلید خلاء خود را از دست داده است.
دو کنتاکت ثابت و متحرک مطابق شکل زیر قرار داده شده‌اند. فرایند اصلی قوس در بین این دو کنتاکت انجام می‌شود.
کنتاکت متحرک به فانوسک خلاء (bellows) فلزی که از فولاد ضد زنگ ساخته شده متصل شده است. از این فانوسک برای حرکت اعضای متحرک به سمت بالا و پایین استفاده می‌شود که با یک مکانیزم فنری به فانوسک متصل شده‌اند.
Sputter shield نیز که از فولاد ضد زنگ ساخته شده برای جلوگیری از رسیدن بخار فلز به محفظه بیرونی به کار رفته است.
پوشش سرامیکی (Ceramic envelope) نیز برای عایق‌کاری محفظه به کار رفته است.
حال اصول عملکرد این کلید را در زیر می‌خوانیم:
اصول عملکرد کلید خلاء
در ابتدا کنتاکت ثابت و متحرک به همدیگر متصل شده و جریان الکتریکی را عبور می‌دهند. اما به محض بروز هر گونه عیب در سیستم، کنتاکت متحرک شروع به جدا شدن از کنتاکت ثابت می‌کند و پدیده قوس (arc) بین آنها رخ می‌دهد.
کلیدهای خلاء روش‌های متفاوتی برای تولید قوس دارند. قوس به دلیل تبخیر بخارات فلزی از سطح کنتاکت ایجاد می‌شود.
سطح کنتاکت دارای تعداد زیادی برآمدگی میکروسکوپی است و زمانی که جریان الکتریکی به این برجستگی‌ها می‌رسد، حالا می‌دانیم که پس از قطع کنتاکت‌ها، آخرین نقطه جریان الکتریکی همین سطح کنتاکت با برجستگی‌هایش خواهد بود که منجر به چگالی جریان بالا در این نقاط می‌شود و در نتیجه گرمایش مقاومتی رخ می‌دهد.
به دلیل حرارت زیاد، یون‌های فلزی از سطح کنتاکت شروع به تبخیر می‌کنند.
وقتی این یون‌ها بین دو کنتاکت قرار می‌گیرند، مسیری را برای عبور جریان ایجاد می‌کنند و جریان شروع به شارش می‌کند که ما آن را به صورت قوس می‌بینیم. این‌گونه است که قوس در این کلیدها شکل می‌گیرد.
چگونه قوس در کلید خلاء خاموش می‌شود؟
همان‌طور که همه ما می‌داینم AC، ماهیت سینوسی دارد. بنابراین، موج جریان در هر سیکل دو صفر دارد.
هنگامی که این جریان قوس الکتریکی به صفر اول خود می‌رسد (در نیم‌سیکل)، قدرت دی‌الکتریک خلاء به سرعت ایجاد می‌شود و جریان را در نیم‌سیکل اول قطع می‌کند. قوس به دلیل استحکام عایق بسیار بالای خلاء دوباره باز نمی‌گردد.
پس از قطع جریان در نیم‌سیکل اول، یون‌های فلزی دوباره در سطح کنتاکت متراکم می‌شوند.
به این ترتیب، قوس و خاموشی و قطع جریان در کلید خلاء انجام می‌شود.
حال مزایا، معایب و کاربردهای این کلیدها را خواهیم دید:
مزایای کلید خلاء
یکی از مزایای اصلی کلیدهای خلاء، توانایی آنها در قطع جریان الکتریکی بدون تولید مقادیر قابل توجهی گاز یا بخار است. این ویژگی آنها را دوستدار محیط زیست و ایمن برای استفاده در کاربری‌هایی می‌کند که انتشار گاز یا بخار می‌تواند خطرناک باشد یا به تجهیزات آسیب برساند. کلیدهای خلاء همچنین بسیار قابل اعتماد هستند و به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارند، که آنها را به یک راه حل مقرون به صرفه برای سیستم‌های قدرت ولتاژ بالا و ولتاژ متوسط تبدیل کرده است.
کلیدهای خلاء مزایای متعددی نسبت به کلیدهای سنتی دارند، از جمله:
قابلیت اطمینان بالا
کلیدهای خلاء بسیار قابل اعتماد هستند. این بدان معنی است که آنها شانس بسیار بالایی برای انجام فرایند خاموش کردن قوس، در هر زمان، با موفقیت دارند. این کلیدها برای مقاومت در برابر محیط‌های سخت مانند دماهای بالا و فشار بالا طراحی شده‌اند که آنها را برای استفاده در کاربردهای صنعتی ایده‌آل می‌کند.
سازگار با محیط زیست
VCBها دوستدار محیط زیست هستند زیرا از هیچ نفت یا گازی استفاده نمی‌کنند، به این معنی که هیچ گاز یا بخار مضری منتشر نمی‌کنند. این ویژگی آنها را به گزینه‌ای مطمئن و قابل اعتماد برای استفاده در کاربردی‌های مختلف از جمله نیروگاه‌های تولید برق، شبکه‌های انتقال و توزیع و دیگر صنایع تبدیل می‌کند.
قدرت قطع بالا
VCBها قدرت قطع بالایی دارند، به این معنی که می‌توانند جریان‌های خطای بالا را بدون هیچ آسیبی به سیستم قطع کنند. این ویژگی آنها را برای استفاده در کاربری‌های ولتاژ بالا که در آن جریان‌های خطای بالا رایج است، ایده‌آل می‌کند.
زمان قطع سریع
VCBها دارای زمان قطع سریع هستند و جریان الکتریکی را در عرض چند میلی ثانیه قطع می‌کنند (جریان را در نیم‌سیکل اول آن قطع می‌کنند). این ویژگی آنها را برای استفاده در کاربری‌هایی ایده‌آل می‌کند که زمان‌های قطع سریع مورد نیاز است، مانند نیروگاه‌های تولید برق و شبکه‌های انتقال و توزیع.
حداقل تعمیر و نگهداری
VCBها به حداقل تعمیر و نگهداری نیاز دارند زیرا از روغن یا گاز استفاده نمی‌کنند. این ویژگی هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد و آنها را به یک راه حل مقرون به صرفه برای سیستم‌های برق فشار قوی و متوسط تبدیل می‌کند.
اندازه مناسب
VCBها معمولاً در مقایسه با کلیدهای سنتی کوچک‌تر هستند که آنها را برای استفاده در مکان‌هایی که فضا محدود است ایده‌آل می‌کند.
از دیگر مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- در این کلیدها خطر آتش‌سوزی وجود ندارد.
- عملکرد بی‌صدا و یا با صدای کم
- همچنین می‌توانند در برابر صاعقه و امواج رعد و برق مقاومت کنند.
معایت کلید خلاء
- در حال حاضر محدوده ولتاژ این کلیدها محدود است و نمی‌توان از آنها در سطوح ولتاژ بالاتر (مانند کلید SF6) استفاده کرد.
- اگر از آنها برای سطوح ولتاژ بیش از 36kV استفاده شود، برخی از واحدها باید به صورت سری متصل شوند که پیچیدگی و هزینه را افزایش می‌دهد.
- مراقبت‌های اضافه برای نشت (leakage) باید انجام شود.
کاربرد کلید خلاء
VCBها معمولاً در سیستم‌های الکتریکی ولتاژ بالا و متوسط مانند شبکه‌های انتقال و توزیع برق، نیروگاه‌های تولید برق و کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند.
- این کلیدها هم برای کاربردهای داخلی و هم در فضای باز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- آنها برای مناطق دور افتاده مانند مناطق تپه‌ای یا مناطق روستایی به دلیل نگهداری کمتر و عمر طولانی‌تر بسیار مفید هستند.
- کلیدهای خلاء برای سوئیچینگ راکتور، سوئیچینگ بانک خازن و سوئیچینگ ترانسفورماتور استفاده می‌شود.
جمع‌بندی
به طور خلاصه، کلیدهای خلاء یک راه حل قابل اعتماد، سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه برای سیستم های قدرت ولتاژ بالا و متوسط هستند. آنها مزایای متعددی نسبت به قطع‌کننده‌های سنتی دارند، از جمله قدرت قطع بالا، زمان قطع سریع و اندازه مناسب. این کلیدها به طور گسترده در طیف وسیعی از کاربردها، از نیروگاه‌های تولید برق گرفته تا کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و جزء ضروری برای اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اعتماد برق هستند.
باتشکر از شما برای خواندن این پست.
منبع
https://www.electricalpaathshala.com/2020/07/vacuum-circuit-breaker-and-its-working/
مطالعه بیشتر …
روش‌های مدیریت مصرف انرژی الکتریکی و کاربردها
