วิธีดับอาร์คในเบรกเกอร์สุญญากาศ

ขั้นแรก: อาร์คไฟฟ้าในการทำลายวงจรคืออะไร?

ก่อนที่เราจะสำรวจว่า VCB ดับส่วนโค้งได้อย่างไร เรามาสรุปสั้นๆ ก่อนว่าส่วนโค้งไฟฟ้าคืออะไร เมื่อเซอร์กิตเบรกเกอร์เปิดขึ้นเพื่อขัดจังหวะการไหลของกระแส หน้าสัมผัสจะแยกออกจากกัน ในขณะที่แยกออกจากกัน แรงดันไฟฟ้าสูงระหว่างหน้าสัมผัสจะทำให้เกิดไอออนในตัวกลางโดยรอบ (อากาศ ก๊าซ หรือในกรณีนี้คือสุญญากาศ) ทำให้เกิดเส้นทางนำไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุ (อิเล็กตรอนและไอออน) เส้นทางนำไฟฟ้านี้ปล่อยแสงและความร้อนเข้มข้น-ซึ่งเราเรียกว่าส่วนโค้งไฟฟ้า เป้าหมายหลักของเซอร์กิตเบรกเกอร์คือการดับส่วนโค้งนี้อย่างรวดเร็ว และสร้างช่องว่างที่เป็นฉนวนระหว่างหน้าสัมผัสเพื่อป้องกัน-การจุดระเบิดซ้ำ เพื่อให้มั่นใจว่าวงจรหยุดชะงักอย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้

เหตุใดสุญญากาศจึงเป็นส่วนโค้งที่ยอดเยี่ยม-ตัวกลางในการดับ

ต่างจากเซอร์กิตเบรกเกอร์อื่นๆ ที่ใช้อากาศ น้ำมัน หรือก๊าซ SF₆ เป็นสื่อ-ดับอาร์ค VCB ใช้สภาพแวดล้อมสุญญากาศสูง- (โดยทั่วไปคือ 10⁻⁴ ถึง 10⁻⁶ Pa) คุณสมบัติเฉพาะของสุญญากาศทำให้เหมาะสำหรับการสูญพันธุ์ของอาร์ค:

ความหนาแน่นของอนุภาคต่ำ: สุญญากาศมีโมเลกุลของก๊าซน้อยมาก ซึ่งหมายความว่าแทบไม่มีอนุภาคที่จะแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งจำกัดความสามารถของส่วนโค้งในการคงตัวของมันเอง ในทางตรงกันข้าม ในเบรกเกอร์ที่เติมอากาศหรือก๊าซ- โมเลกุลของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนจะยังคงดำเนินการต่อไป ทำให้ส่วนโค้งยาวขึ้น

ความเป็นฉนวนสูง: เมื่อส่วนโค้งดับลง ช่องว่างสุญญากาศระหว่างหน้าสัมผัสจะมีความแข็งแรงเป็นฉนวนสูงมาก วิธีนี้จะป้องกันไม่ให้ส่วนโค้ง-ลุกไหม้ซ้ำแม้ที่แรงดันไฟฟ้ากู้คืนสูง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการหยุดชะงักที่ประสบความสำเร็จ

ไม่มีสารตกค้าง: ต่างจากน้ำมันหรือ SF₆ ตรงที่สูญญากาศไม่ทิ้งสิ่งตกค้างหรือผลพลอยได้ที่เป็นอันตราย- ทำให้ VCB เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและ-การบำรุงรักษาต่ำ

กระบวนการสูญพันธุ์ของอาร์กในเซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศ

การสูญพันธุ์ของส่วนโค้งใน VCB เป็นกระบวนการแบบไดนามิกที่เกิดขึ้นในหลายขั้นตอนสำคัญเมื่อหน้าสัมผัสแยกจากกัน มาแยกย่อยกันทีละขั้นตอน:

1. Arc Ignition และการขยายเริ่มต้น

เมื่อเบรกเกอร์ได้รับสัญญาณทริป หน้าสัมผัสที่กำลังเคลื่อนที่จะเริ่มแยกออกจากหน้าสัมผัสคงที่ เมื่อหน้าสัมผัสเริ่มแยกตัว ความหนาแน่นกระแสที่ช่องว่างแคบระหว่างทั้งสองจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้พื้นผิวโลหะของหน้าสัมผัสระเหยกลายเป็นไอ ไอโลหะนี้เป็นสื่อนำไฟฟ้าหลักสำหรับส่วนโค้งในสุญญากาศ (เนื่องจากไม่มีก๊าซที่จะแตกตัวเป็นไอออน) ส่วนโค้งจะติดไฟในไอโลหะนี้ โดยเริ่มก่อตัวเป็นคอลัมน์ส่วนโค้งขนาดเล็กและรุนแรงระหว่างส่วนสัมผัส

2. การหดตัวและการแพร่กระจายของส่วนโค้ง

ในระยะแรก ส่วนโค้งจะกระจุกตัวอยู่ที่จุดเล็กๆ บนพื้นผิวสัมผัส อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์สำคัญสองประการเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อกระจายส่วนโค้ง:แรงแม่เหล็กและการแพร่กระจายความร้อน- VCB จำนวนมากได้รับการออกแบบให้มีหน้าสัมผัสของสนามแม่เหล็กตามแนวแกน (AMF) หรือสนามแม่เหล็กตามขวาง (TMF) หน้าสัมผัสเหล่านี้สร้างสนามแม่เหล็กที่ทำปฏิกิริยากับกระแสอาร์ก บังคับให้ส่วนโค้งเคลื่อนที่และกระจายออกไปทั่วทั้งพื้นผิวของหน้าสัมผัส การแพร่กระจายนี้ (เรียกว่า "การแยกส่วนโค้ง") ช่วยลดความหนาแน่นกระแสที่จุดใดจุดหนึ่ง ป้องกันการกัดเซาะหน้าสัมผัสมากเกินไป และทำให้ส่วนโค้งเย็นลง

ในเวลาเดียวกัน ไอโลหะจากหน้าสัมผัสจะแพร่กระจายอย่างรวดเร็วสู่สภาพแวดล้อมสุญญากาศ เนื่องจากสุญญากาศไม่มีโมเลกุลที่จะชนกัน ไอจึงขยายตัวออกด้านนอกด้วยความเร็วสูง โดยเคลื่อนออกจากคอลัมน์ส่วนโค้ง การแพร่กระจายนี้จะกำจัดตัวกลางนำไฟฟ้า (ไอโลหะ) ที่ค้ำจุนส่วนโค้ง

3. การสูญพันธุ์ของศูนย์และอาร์กปัจจุบัน

สำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ (การใช้งานทั่วไปสำหรับ VCB) กระแสไฟฟ้าสลับตามธรรมชาติและผ่านจุด "กระแสเป็นศูนย์" สองครั้งต่อรอบ (เช่น 50 เฮิร์ตซ์ AC มีกระแสเป็นศูนย์ 100 ตัวต่อวินาที) ศูนย์ปัจจุบันนี้เป็นช่วงเวลาวิกฤตสำหรับการสูญพันธุ์ของส่วนโค้งใน VCB

เมื่อกระแสเข้าใกล้ศูนย์ พลังงานที่จ่ายให้กับส่วนโค้งจะลดลง คอลัมน์ส่วนโค้งหดตัว และการผลิตไอโลหะจากหน้าสัมผัสลดลงอย่างมาก เมื่อกระแสไฟฟ้าถึงศูนย์ ไอโลหะที่เหลืออยู่ก็กระจายออกไปจากช่องว่างหน้าสัมผัสแล้ว หากไม่มีสื่อนำไฟฟ้ามาค้ำจุน ส่วนโค้งก็จะดับลง

4. หลัง-สูญพันธุ์: การฟื้นตัวของช่องว่างและความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก-เพิ่มขึ้น

หลังจากที่ส่วนโค้งดับลง ช่องว่างสุญญากาศระหว่างหน้าสัมผัสจะต้องฟื้นฟูความเป็นฉนวนอย่างรวดเร็วเพื่อให้ทนต่อแรงดันการกู้คืนชั่วคราว (TRV) ที่ตามหลังศูนย์ปัจจุบัน ในสุญญากาศ การฟื้นตัวนี้ทำได้เร็วมากเนื่องจาก: (1) ไม่มีโมเลกุลของก๊าซไอออไนซ์ที่หลงเหลืออยู่ให้รวมตัวกันใหม่อย่างช้าๆ และ (2) พื้นผิวสัมผัสเย็นลงอย่างรวดเร็ว เพื่อหยุดการปล่อยไอของโลหะเพิ่มเติม ภายในไมโครวินาที ความแรงของไดอิเล็กทริกของช่องว่างสุญญากาศจะเพิ่มขึ้นถึงระดับที่สามารถทนต่อ TRV ได้ ป้องกัน-การจุดระเบิดซ้ำ และทำให้วงจรถูกรบกวนอย่างปลอดภัย

ปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการสูญพันธุ์ของส่วนโค้งใน VCB

ปัจจัยการออกแบบและการปฏิบัติงานหลายประการส่งผลต่อประสิทธิภาพของ VCB ในการดับส่วนโค้ง:

ติดต่อวัสดุ: โดยทั่วไปหน้าสัมผัสจะทำจากโลหะผสมทองแดง-โครเมียม (CuCr) โลหะผสมเหล่านี้มีจุดหลอมเหลวสูง ความดันไอต่ำ และมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ช่วยลดการผลิตไอโลหะและการกัดเซาะหน้าสัมผัส

ติดต่อดีไซน์: หน้าสัมผัส AMF และ TMF มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกระจายส่วนโค้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหน้าสัมผัส AMF ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน VCB สมัยใหม่ เนื่องจากพวกมันสร้างสนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอซึ่งทำให้ส่วนโค้งคงที่และป้องกันไม่ให้เกิดการหดตัวและเพิ่มการสูญพันธุ์

ระดับสุญญากาศ: สุญญากาศที่สูงขึ้น (ความดันต่ำลง) ช่วยเพิ่มการสูญเสียอาร์คโดยการลดโมเลกุลก๊าซที่ตกค้าง ผู้ผลิต VCB ปิดผนึกและบำรุงรักษาสุญญากาศในห้องโค้งอย่างระมัดระวังเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพในระยะยาว-

ความเร็วในการแยกหน้าสัมผัส: การแยกหน้าสัมผัสที่เร็วขึ้นจะช่วยลดเวลาที่ส่วนโค้งยังคงอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ-การหยุดชะงักของกระแสไฟสูง VCB ใช้กลไกความเร็วสูง-(เช่น สปริง-ทำงาน) เพื่อให้มั่นใจถึงการแยกหน้าสัมผัสอย่างรวดเร็ว

สรุป: ข้อดีของการสูญพันธุ์อาร์คสุญญากาศ

วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการสูญเสียอาร์กในเซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของสุญญากาศ-ความหนาแน่นของอนุภาคต่ำ ความเป็นฉนวนสูง และไม่มีสารตกค้าง-เพื่อสร้างกระบวนการหยุดชะงักที่รวดเร็ว เชื่อถือได้ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยการควบคุมส่วนโค้งผ่านสนามแม่เหล็ก การใช้วัสดุหน้าสัมผัสประสิทธิภาพสูง- และใช้ประโยชน์จากศูนย์กระแสไฟฟ้าตามธรรมชาติในวงจร AC ทำให้ VCB สามารถดับส่วนโค้งได้อย่างมีประสิทธิภาพและปกป้องระบบไฟฟ้าจากข้อผิดพลาด

ไม่ว่าจะในโรงงานอุตสาหกรรม โรงงานผลิตพลังงานหมุนเวียน หรือโครงข่ายไฟฟ้าในเมือง VCB ยังคงเป็นรากฐานสำคัญของการปกป้องพลังงานสมัยใหม่ โดยส่วนใหญ่แล้วมีความสามารถในการดับอาร์ค-ที่ยอดเยี่ยม ครั้งต่อไปที่คุณเห็น VCB กำลังทำงานอยู่ (หรือค่อนข้างจะไม่ทำงาน เนื่องจากได้รับการออกแบบมาให้ทำงานได้อย่างราบรื่น!) คุณจะรู้จักวิทยาศาสตร์อันน่าทึ่งที่คอยเปิดไฟและระบบให้ปลอดภัย