เหตุใดเบรกเกอร์วงจรสุญญากาศจึงเป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งที่ต้องการในระบบไฟฟ้าแรงดันปานกลาง

เหตุใดเบรกเกอร์วงจรสุญญากาศจึงเป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งที่ต้องการในระบบไฟฟ้าแรงดันปานกลาง

เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับการสลับและการป้องกันแรงดันไฟฟ้าปานกลางในเครือข่ายการจำหน่ายไฟฟ้าทั่วโลก การเพิ่มขึ้นของแนวคิดจากห้องปฏิบัติการเฉพาะกลุ่มในช่วงทศวรรษปี 1920 มาเป็นโซลูชันมาตรฐานสำหรับการใช้งาน 6 kV ถึง 36 kV ในปัจจุบัน สะท้อนให้เห็นถึงการผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพในการดับอาร์คที่เหนือกว่า ข้อกำหนดในการบำรุงรักษาขั้นต่ำ และข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมเหนือน้ำมันและก๊าซทางเลือกอื่นที่พวกเขาเปลี่ยน สำหรับวิศวกรไฟฟ้า ผู้จัดการสิ่งอำนวยความสะดวก และผู้วางแผนสาธารณูปโภคที่ระบุสวิตช์เกียร์สำหรับโรงงานอุตสาหกรรม สถานีไฟฟ้าย่อย และอาคารเชิงพาณิชย์ การทำความเข้าใจอย่างแน่ชัดว่าเซอร์กิตเบรกเกอร์แบบสุญญากาศทำงานอย่างไร และเหตุใดจึงมีประสิทธิภาพเหนือกว่าทางเลือกอื่นในระดับแรงดันไฟฟ้า จึงเป็นสิ่งสำคัญในการตัดสินใจเกี่ยวกับอุปกรณ์เสียง

เซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศดับส่วนโค้งได้อย่างไร

หลักการทำงานของเซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศมีศูนย์กลางอยู่ที่ความเป็นฉนวนที่ยอดเยี่ยมของสภาพแวดล้อมสุญญากาศสูง ภายในเบรกเกอร์ แต่ละเฟสได้รับการปกป้องโดยตัวขัดขวางสุญญากาศแบบปิดผนึก — ซองทรงกระบอก โดยทั่วไปทำจากเซรามิกหรือโครงสร้างแก้วถึงโลหะ รักษาไว้ที่แรงดันภายในต่ำกว่า 10⁻³ Pa เมื่อเบรกเกอร์เปิดภายใต้สภาวะโหลดหรือความผิดปกติ ส่วนโค้งจะถูกวาดระหว่างหน้าสัมผัสที่แยกทั้งสองภายในห้องสุญญากาศนี้

ต่างจากส่วนโค้งในอากาศหรือน้ำมันที่ค้ำจุนตัวเองโดยการทำให้เกิดไอออนในตัวกลางที่อยู่รอบๆ ส่วนโค้งสุญญากาศนั้นมีอยู่ในไอโลหะที่ระเหยออกจากพื้นผิวสัมผัสโดยสิ้นเชิง ไอนี้ผลิตจากวัสดุสัมผัส ซึ่งโดยทั่วไปคือโลหะผสมทองแดง-โครเมียม นำกระแสผ่านช่องว่างระหว่างช่วงเกิดประกายไฟ เมื่อกระแสสลับไหลผ่านศูนย์ข้ามตามธรรมชาติ ส่วนโค้งจะดับลงเนื่องจากไอของโลหะจะควบแน่นกลับอย่างรวดเร็วบนพื้นผิวสัมผัส โดยไม่มีตัวกลางที่เป็นก๊าซเพื่อให้สามารถลุกติดไฟได้ต่อไป เวลาการรวมตัวใหม่ในสุญญากาศวัดเป็นไมโครวินาที ซึ่งเร็วกว่าไดอิเล็กตริกของก๊าซหรือของเหลวใดๆ มาก ทำให้เบรกเกอร์สามารถขัดจังหวะกระแสฟอลต์ที่ศูนย์กระแสไฟฟ้าตัวแรกหรือตัวที่สองหลังจากที่หน้าสัมผัสแยกจากกัน ความเร็วนี้เป็นสิ่งที่ทำให้เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศมีประสิทธิภาพการขัดจังหวะการลัดวงจรที่ยอดเยี่ยมเมื่อเทียบกับขนาดทางกายภาพที่กะทัดรัด

การก่อสร้างเครื่องขัดขวางสุญญากาศ

เครื่องขัดขวางสุญญากาศเป็นส่วนประกอบที่ได้รับการขัดเกลาทางเทคนิคมากที่สุดในชุดเบรกเกอร์ โครงสร้างต้องรักษาซีลสูญญากาศที่สูงเป็นพิเศษตลอดอายุการใช้งาน 20 ถึง 30 ปีของอุปกรณ์โดยไม่ต้องบำรุงรักษาใด ๆ เพื่อเข้าถึงห้องที่ปิดสนิท ซองจดหมายใช้การผสมผสานระหว่างเซรามิกและฝาปิดปลายโลหะที่เชื่อมเข้าด้วยกันด้วยการบัดกรีในเตาควบคุมบรรยากาศที่อุณหภูมิเกิน 800°C ทำให้เกิดซีลสุญญากาศที่สามารถทนทานต่อความเค้นทางกลของการดำเนินการสัมผัสซ้ำๆ และการหมุนเวียนด้วยความร้อนของเหตุการณ์กระแสไฟฟ้าขัดข้อง

รูปทรงหน้าสัมผัสภายในตัวขัดขวางได้รับการออกแบบมาเพื่อจัดการพฤติกรรมส่วนโค้งในระหว่างการหยุดชะงัก ในทางปฏิบัติมีการออกแบบหน้าสัมผัสหลักสองแบบ: หน้าสัมผัสสนามแม่เหล็กตามแนวแกน (AMF) และหน้าสัมผัสสนามแม่เหล็กแนวรัศมี (RMF) หน้าสัมผัส AMF ใช้รูปทรงของคอยล์ด้านหลังหน้าสัมผัสเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กขนานกับคอลัมน์ส่วนโค้ง ซึ่งจะกระจายส่วนโค้งอย่างกระจัดกระจายไปทั่วพื้นผิวหน้าสัมผัส ป้องกันการกัดเซาะที่จุดใดจุดหนึ่ง และเพิ่มอายุการใช้งานหน้าสัมผัสให้สูงสุด หน้าสัมผัส RMF ใช้รูปทรงของช่องเกลียวที่สร้างสนามตามขวาง ส่งผลให้ส่วนโค้งหมุนอย่างรวดเร็วรอบเส้นรอบวงหน้าสัมผัส และยังกระจายโหลดความร้อนและยืดอายุหน้าสัมผัสอีกด้วย การออกแบบทั้งสองแบบอนุญาตให้ผู้ขัดขวางเดียวกันสามารถขัดจังหวะกระแสลัดวงจรที่กำหนดได้หลายร้อยครั้งตลอดอายุการใช้งาน ก่อนที่การกัดเซาะของหน้าสัมผัสจะถึงเกณฑ์การเปลี่ยน

พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญและการให้คะแนน

เซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศได้รับการระบุโดยเทียบกับชุดพารามิเตอร์มาตรฐานที่กำหนดในมาตรฐาน IEC 62271-100 และ ANSI/IEEE C37 การทำความเข้าใจพารามิเตอร์เหล่านี้จำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้และการจัดซื้อที่ถูกต้อง ตารางด้านล่างสรุปการจัดอันดับหลัก:

การจำแนกประเภทความทนทานทางกลมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินการสวิตซ์บ่อยครั้ง เช่น ตัวป้อนมอเตอร์ การสวิตชิ่งแบงค์ตัวเก็บประจุ หรือหน้าที่เตาอาร์ก เบรกเกอร์คลาส M2 ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานทางกล 30,000 ครั้งระบุไว้ในการใช้งานรอบสูงเหล่านี้ ในขณะที่เบรกเกอร์คลาส M1 นั้นเพียงพอสำหรับการกระจายมาตรฐานและหน้าที่การป้องกัน โดยที่เบรกเกอร์ทำงานเพียงไม่กี่ครั้งต่อปีในการให้บริการตามปกติ

ข้อได้เปรียบเหนือเซอร์กิตเบรกเกอร์แบบน้ำมันและ SF₆

การเปลี่ยนจากเซอร์กิตเบรกเกอร์น้ำมันเทกองและเซอร์กิตเบรกเกอร์น้ำมันขั้นต่ำไปเป็นเทคโนโลยีสุญญากาศในการใช้งานแรงดันไฟฟ้าปานกลางได้รับแรงผลักดันจากข้อได้เปรียบด้านการปฏิบัติงานและสิ่งแวดล้อมที่ชัดเจน เบรกเกอร์น้ำมันมีความเสี่ยงจากไฟไหม้และการระเบิดจากตัวกลางไดอิเล็กทริกที่ติดไฟได้ ต้องมีการเก็บตัวอย่างและเปลี่ยนน้ำมันเป็นระยะ และสร้างคราบคาร์บอนและตะกอนภายในห้องที่ขัดขวางซึ่งจำเป็นต้องทำความสะอาดเป็นประจำ เบรกเกอร์แบบสุญญากาศช่วยขจัดข้อกังวลเหล่านี้โดยสิ้นเชิง — ตัวขัดขวางแบบปิดผนึกไม่มีวัสดุที่ติดไฟหรือเป็นพิษ และหน้าสัมผัสด้านในไม่จำเป็นต้องเข้าถึงหรือทำความสะอาดตลอดอายุการใช้งานของเบรกเกอร์

เซอร์กิตเบรกเกอร์ก๊าซ SF₆ (ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์) มอบประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมที่ระดับแรงดันไฟฟ้าสูงและในสวิตช์เกียร์ที่ต้องการรูปทรงการขัดจังหวะที่มีขนาดกะทัดรัดมาก แต่ SF₆ นั้นเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพและมีศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนประมาณ 23,500 เท่าของ CO₂ ตลอดระยะเวลา 100 ปี ความกดดันด้านกฎระเบียบเกี่ยวกับการปล่อยก๊าซ SF₆ ได้ทวีความรุนแรงมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในสหภาพยุโรปและเขตอำนาจศาลอื่นๆ โดยมีกำหนดการทยอยลดปริมาณการใช้ลงซึ่งกำหนดให้ลดการใช้ลงในช่วงปลายปี 2020 ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าปานกลางซึ่งเทคโนโลยีสูญญากาศทำงานได้ดีพอๆ กัน ข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมของเครื่องขัดขวางสุญญากาศซึ่งมีก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์ กลายเป็นปัจจัยชี้ขาดในข้อกำหนดคุณสมบัติสวิตช์เกียร์สำหรับการติดตั้งใหม่และโครงการเปลี่ยนทดแทน

การใช้งานทั่วไปในเครือข่ายการกระจายพลังงาน

เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศ ถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์จำหน่ายแรงดันไฟฟ้าปานกลางอย่างเต็มรูปแบบทั้งในบริบทด้านสาธารณูปโภคและอุตสาหกรรม ความอเนกประสงค์สะท้อนให้เห็นถึงช่วงการทำงานที่กว้างซึ่งครอบคลุมโดยพิกัดแรงดันและกระแส:

• สถานีย่อยการกระจายหลัก: เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศ serve as the incoming feeder breakers and bus section breakers in 11 kV, 22 kV, and 33 kV substations, providing protection and isolation for transformer feeders and outgoing distribution circuits.
• สวิตช์เกียร์ MV ของโรงงานอุตสาหกรรม: ในโรงงานปิโตรเคมี เหมืองแร่ ซีเมนต์ เหล็ก และกระดาษ เซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศจะปกป้องตัวป้อนมอเตอร์ไฟฟ้าแรงสูง ไพรมารีของหม้อแปลง และสายรัดบัสในแผงสวิตช์ 6 kV, 10 kV และ 11 kV
• การสตาร์ทและการสลับมอเตอร์: สำหรับมอเตอร์ขนาดใหญ่ที่มีขนาดสูงกว่า 1 MW เบรกเกอร์สุญญากาศจะมีอุปกรณ์สวิตชิ่งสำหรับการกำหนดค่าแบบออนไลน์โดยตรงหรือแบบซอฟต์สตาร์ท เพื่อจัดการกับกระแสไหลเข้าสูงเมื่อสตาร์ท และรอบการสวิตชิ่งซ้ำๆ ตลอดอายุการใช้งานของมอเตอร์
• การสลับธนาคารตัวเก็บประจุ: ธนาคารชดเชยกำลังรีแอกทีฟใช้เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศเพื่อทำหน้าที่สับเปลี่ยน โดยใช้ประโยชน์จากความสามารถของเทคโนโลยีในการจัดการกระแสไหลเข้าชั่วคราวสูงและรอบการสลับซ้ำ ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการกระตุ้นตัวเก็บประจุ
• สถานีย่อยเก็บพลังงานทดแทน: ฟาร์มกังหันลมและสถานีไฟฟ้าย่อยสำหรับสวนพลังงานแสงอาทิตย์ใช้เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศในตัวป้อน 11 kV ถึง 33 kV ที่เชื่อมต่อหม้อแปลงกังหันและหม้อแปลงอินเวอร์เตอร์เข้ากับบัสคอลเลคเตอร์หลัก

ข้อกำหนดการบำรุงรักษาและการตรวจสอบสภาพ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของเบรกเกอร์วงจรสุญญากาศคือความต้องการการบำรุงรักษาขั้นต่ำเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีรุ่นก่อน ๆ เครื่องขัดขวางสุญญากาศแบบปิดผนึกไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งาน เนื่องจากไม่มีของเหลวอิเล็กทริกให้ทดสอบ ไม่มีแรงดันแก๊สในการตรวจสอบ และไม่มีคราบคาร์บอนให้ทำความสะอาดจากห้องขัดจังหวะ การบำรุงรักษาตามปกติมุ่งเน้นไปที่กลไกการขับเคลื่อนเชิงกล: การตรวจสอบระบบกักเก็บพลังงานของสปริง การหล่อลื่นการเชื่อมต่อการทำงานตามกำหนดเวลาของผู้ผลิต การตรวจสอบแรงกดสัมผัสผ่านการวัดทางอ้อม และการทดสอบเวลาการทำงานของคอยล์ปิดและเปิด

พารามิเตอร์การบำรุงรักษาเฉพาะด้านสุญญากาศหนึ่งเดียวคือการสึกกร่อนของหน้าสัมผัสภายในตัวขัดขวางที่ปิดสนิท เหตุการณ์การขัดจังหวะฟอลต์แต่ละครั้งจะกัดกร่อนวัสดุจำนวนเล็กน้อยจากพื้นผิวสัมผัส และหลังจากการขัดจังหวะการลัดวงจรตามจำนวนที่กำหนด — ผู้ผลิตระบุเป็นพิกัดความทนทานทางไฟฟ้า โดยทั่วไปจะแสดงเป็นจำนวนการทำงานที่กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่กำหนด — ช่องว่างการสัมผัสอาจเพิ่มขึ้นเกินขีดจำกัดการออกแบบ ผู้ผลิตจัดให้มีตัวบ่งชี้การสึกหรอของการสัมผัสบนชุดอุปกรณ์ขัดขวาง ซึ่งช่วยให้เจ้าหน้าที่บำรุงรักษาสามารถตรวจสอบอายุการใช้งานการสัมผัสที่เหลืออยู่โดยไม่ต้องเปิดห้องที่ปิดสนิท เมื่อตัวบ่งชี้ถึงเกณฑ์การเปลี่ยน ตัวขัดขวางจะถูกเปลี่ยนเป็นหน่วยที่ปิดสนิทแทนที่จะซ่อมแซม

เกณฑ์การคัดเลือกสำหรับการระบุเซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศ

การระบุเซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศที่ถูกต้องสำหรับการใช้งานที่กำหนดจำเป็นต้องยืนยันว่าพารามิเตอร์ที่กำหนดเกินความต้องการของระบบโดยมีระยะขอบที่เหมาะสม และคลาสความทนทานทางกลและไฟฟ้าตรงกับหน้าที่การปฏิบัติงานที่คาดไว้ รายการตรวจสอบต่อไปนี้ครอบคลุมตัวแปรการเลือกหลัก:

• แรงดันไฟฟ้าของระบบ: เลือกเบรกเกอร์ที่มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเท่ากับหรือสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของระบบ รวมถึงสภาวะแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นด้วย อย่าลดค่าเบรกเกอร์แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเป็นการวัดต้นทุนโดยไม่ยืนยันผลกระทบจากการทำงานร่วมกันของฉนวน
• กระแสไฟลัดสูงสุด: กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่กำหนดจะต้องเกินกระแสไฟลัดที่คาดไว้สูงสุดที่จุดติดตั้ง ซึ่งคำนวณจากอิมพีแดนซ์ต้นทางและพิกัดของหม้อแปลง การประสานงานกับอุปกรณ์ป้องกันต้นทางจะต้องได้รับการตรวจสอบด้วย
• กระแสต่อเนื่อง: กระแสไฟปกติที่พิกัดต้องเกินกระแสโหลดสูงสุดที่คาดไว้ในสภาวะการทำงานปกติและภาวะฉุกเฉิน รวมถึงการเติบโตของโหลดในอนาคตที่วางแผนไว้
• หน้าที่ปฏิบัติการ: สำหรับการใช้งานตัวป้อนมอเตอร์ การสลับตัวเก็บประจุ หรือเตาอาร์ก ให้ยืนยันความทนทานทางไฟฟ้าของเบรกเกอร์สำหรับกระแสไฟฟ้าและตัวประกอบกำลังเฉพาะของโหลด และเลือกความทนทานทางกลคลาส M2 หากความถี่ในการทำงานเกินหน้าที่การกระจายมาตรฐาน
• การปฏิบัติตามมาตรฐาน: ตรวจสอบว่าเบรกเกอร์ได้รับการทดสอบประเภทตาม IEC 62271-100 หรือมาตรฐาน ANSI/IEEE ที่เกี่ยวข้องสำหรับตลาด โดยมีใบรับรองการทดสอบสำหรับการตรวจสอบในระหว่างคุณสมบัติการจัดซื้อจัดจ้าง

เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่และผ่านการตรวจสอบอย่างดีที่สุดในวิศวกรรมกำลังไฟฟ้าแรงดันปานกลาง การผสมผสานระหว่างการหยุดชะงักของอาร์คที่รวดเร็วและเชื่อถือได้ ความสะอาดของสิ่งแวดล้อม ภาระในการบำรุงรักษาต่ำ และอายุการใช้งานที่ยืนยาวที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในการให้บริการภาคสนาม ทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นข้อกำหนดเริ่มต้นสำหรับการติดตั้งสวิตช์เกียร์แรงดันปานกลางใหม่ส่วนใหญ่ทั่วโลก ซึ่งเป็นตำแหน่งที่พวกเขามีแนวโน้มที่จะรวมเข้าด้วยกันต่อไป เนื่องจากความกดดันด้านกฎระเบียบเกี่ยวกับทางเลือกที่ใช้ SF₆ จะทวีความรุนแรงมากขึ้นในทศวรรษหน้า