เซอร์กิตเบรกเกอร์เป็นอุปกรณ์ป้องกันที่สำคัญในระบบไฟฟ้า ซึ่งออกแบบมาเพื่อขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจรและป้องกันความเสียหายต่ออุปกรณ์และโครงสร้างพื้นฐาน ในขณะที่หลายคนคิดว่าอาร์คไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่พึงประสงค์ในการทำงานของเซอร์กิตเบรกเกอร์ แต่ในความเป็นจริงค่อนข้างแตกต่างกัน ในระบบ AC การควบคุมไฟฟ้า อาร์ค มีบทบาทสำคัญในการขัดขวางกระแสไฟฟ้าอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ การทำความเข้าใจกระบวนการสำคัญสี่ประการของการตัดการเชื่อมต่อเซอร์กิตเบรกเกอร์ เผยให้เห็นว่าเหตุใดการจัดการอาร์คมากกว่าการกำจัดอาร์ค จึงเป็นพื้นฐานของการป้องกันทางไฟฟ้าสมัยใหม่.
เหตุใดอาร์คไฟฟ้าจึงมีความจำเป็นในการทำงานของเซอร์กิตเบรกเกอร์
วิศวกรหลายคนเชื่อโดยสัญชาตญาณว่าการกำจัดอาร์คไฟฟ้าจะปรับปรุงประสิทธิภาพของเซอร์กิตเบรกเกอร์ อย่างไรก็ตาม ในระบบ AC การพยายาม “ตัดอย่างแรง” กระแสไฟฟ้าโดยไม่มีอาร์คจะสร้างผลร้ายที่อันตราย เมื่อหน้าสัมผัสแยกจากกันอย่างกะทันหันโดยไม่มีการก่อตัวของอาร์ค พลังงานแม่เหล็กที่เก็บไว้ในโหลดเหนี่ยวนำจะไม่มีที่ระบาย พลังงานนี้จะถ่ายโอนไปยังความจุไฟฟ้าแฝงทันที ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินที่เป็นอันตราย ซึ่งอาจทำให้ฉนวนล้มเหลวและเกิดปรากฏการณ์การจุดระเบิดซ้ำ.
อาร์คไฟฟ้าที่ควบคุมได้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่จัดการได้ ช่วยให้พลังงานโหลดกลับคืนสู่แหล่งพลังงานได้อย่างเป็นระเบียบ อาร์คให้เส้นทางนำไฟฟ้าจนกว่ากระแส AC จะถึงศูนย์โดยธรรมชาติ ซึ่ง ณ จุดนั้นการดับจะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่เอื้ออำนวย จากนั้นเซอร์กิตเบรกเกอร์จะต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้าคืนตัวชั่วขณะ (TRV) เพื่อให้การรีเซ็ตระบบปลอดภัยเสร็จสมบูรณ์.
กระบวนการสำคัญสี่ประการของการตัดการเชื่อมต่อเซอร์กิตเบรกเกอร์
กระบวนการที่ 1: การแยกหน้าสัมผัสและการสร้างอาร์ค
เมื่อหน้าสัมผัสของเซอร์กิตเบรกเกอร์แยกจากกันในขั้นต้น สะพานหน้าสัมผัสขนาดเล็กจะยังคงอยู่ระหว่างหน้าสัมผัสเหล่านั้น ที่จุดเชื่อมต่อนี้ ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าจะสูงมาก ทำให้วัสดุหน้าสัมผัสหลอมเหลว กลายเป็นไอ และแตกตัวเป็นไอออน กระบวนการนี้สร้างช่องพลาสมา ซึ่งก็คืออาร์คไฟฟ้า ภายในตัวกลางดับอาร์ค (อากาศ น้ำมัน ก๊าซ SF₆ หรือไอโลหะในสุญญากาศ).
ระยะการสร้างอาร์คไม่ได้แสดงถึงความล้มเหลวของระบบ แต่เป็นการนำพลังงานเข้าสู่เส้นทางนำไฟฟ้าที่จัดการได้ ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากทันที ในช่วงนี้ เซอร์กิตเบรกเกอร์จะสร้างระยะห่างของหน้าสัมผัสที่เพียงพอและสร้างสภาวะการระบายความร้อนที่จำเป็นสำหรับการดับอาร์คในภายหลัง อุณหภูมิช่องพลาสมาสามารถสูงถึง 20,000°C (36,000°F) ทำให้การออกแบบห้องอาร์คที่เหมาะสมมีความสำคัญต่อการทำงานที่ปลอดภัย.
กระบวนการที่ 2: การบำรุงรักษาอาร์คและการคืนพลังงาน
ในระหว่างระยะการบำรุงรักษาอาร์ค กระแสไฟฟ้าจะยังคงไหลผ่านพลาสมาอาร์ค ในขณะที่พลังงานแม่เหล็กจากโหลดเหนี่ยวนำค่อยๆ กลับคืนสู่แหล่งพลังงาน เซอร์กิตเบรกเกอร์สมัยใหม่ใช้เทคนิคต่างๆ เพื่อจัดการกระบวนการนี้:
- ระบบเป่าด้วยแก๊สหรือน้ำมัน สร้างการไหลด้วยความเร็วสูงที่ทำให้เย็นและกระจายอนุภาคที่แตกตัวเป็นไอออน
- กลไกการเป่าด้วยแม่เหล็ก ยืดและแยกอาร์คโดยใช้แรงแม่เหล็กไฟฟ้า
- สภาพแวดล้อมสุญญากาศ ช่วยให้การแพร่กระจายและการระบายความร้อนของไอโลหะเป็นไปอย่างรวดเร็ว
- รางอาร์ค แบ่งอาร์คออกเป็นส่วนเล็กๆ หลายส่วนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน
เซอร์กิตเบรกเกอร์จะต้องรักษาอาร์คไว้เป็นระยะเวลาขั้นต่ำในขณะที่บรรลุการแยกหน้าสัมผัสที่เพียงพอ เวลาอาร์คขั้นต่ำนี้แตกต่างกันไปตามแรงดันไฟฟ้าระบบและขนาดกระแสไฟฟ้า แต่โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 8-20 มิลลิวินาทีที่ 50 เฮิรตซ์ เวลาอาร์คที่ไม่เพียงพอหรือช่องว่างหน้าสัมผัสไม่เพียงพอจะส่งผลให้เกิดการจุดระเบิดซ้ำเมื่อเกิดการคืนตัวของแรงดันไฟฟ้า.
กระบวนการที่ 3: การตัดผ่านศูนย์ปัจจุบันและการดับอาร์ค
เมื่อกระแส AC เข้าใกล้การตัดผ่านศูนย์โดยธรรมชาติ หน้าสัมผัสที่ระบายความร้อนอย่างเหมาะสมโดยมีการแยกที่เพียงพอจะช่วยให้การลดไอออนของอาร์คเป็นไปอย่างรวดเร็ว ความแข็งแรงของไดอิเล็กตริกระหว่างหน้าสัมผัสจะฟื้นตัวอย่างรวดเร็ว สูงถึง 20 kV/μs ในเซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศ ทำให้สามารถดับอาร์คได้ที่จุดศูนย์ปัจจุบัน.
ช่วงเวลาสำคัญนี้กำหนดความสำเร็จในการขัดขวาง อาร์คไม่ได้ดับเมื่อหน้าสัมผัสแยกจากกันในขั้นต้น การขัดขวางกระแสไฟฟ้าที่แท้จริงจะเกิดขึ้นเฉพาะที่ศูนย์ปัจจุบันด้วยการลดไอออนที่สำเร็จเท่านั้น ปัจจัยหลายประการมีอิทธิพลต่อความสำเร็จในการดับครั้งแรก:
- ความเร็วในการเปิดหน้าสัมผัสและระยะการเคลื่อนที่
- คุณสมบัติของตัวกลางดับอาร์คและลักษณะการไหล
- องค์ประกอบวัสดุหน้าสัมผัสและคุณสมบัติทางความร้อน
- ขนาดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าระบบ
- สภาพอุณหภูมิและความดันภายในห้องอาร์ค
เซอร์กิตเบรกเกอร์ที่ออกแบบมาสำหรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงรวมเอาเทคโนโลยีการแยกอาร์คขั้นสูงและกลไกการระบายความร้อนที่ได้รับการปรับปรุง เพื่อให้มั่นใจถึงการดับที่เชื่อถือได้ที่การตัดผ่านศูนย์ปัจจุบันครั้งแรก.
กระบวนการที่ 4: การทนต่อ TRV และการคืนตัวของแรงดันไฟฟ้า
ทันทีหลังจากการดับอาร์ค แรงดันไฟฟ้าคืนตัวชั่วขณะ (TRV) จะปรากฏขึ้นทั่วหน้าสัมผัสที่เปิดอยู่ แรงดันไฟฟ้านี้เป็นผลมาจากการซ้อนทับของส่วนประกอบด้านแหล่งจ่ายและด้านโหลด โดยทั่วไปจะแสดงพฤติกรรมการสั่นแบบหลายความถี่ ลักษณะรูปคลื่น TRV ประกอบด้วย:
- อัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าคืนตัว (RRRV): อัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น วัดเป็น kV/μs
- แอมพลิจูด TRV สูงสุด: แรงดันไฟฟ้าสูงสุดบนหน้าสัมผัสที่เปิดอยู่
- ส่วนประกอบความถี่: ความถี่การสั่นหลายความถี่จากค่าความเหนี่ยวนำและความจุของระบบ
เซอร์กิตเบรกเกอร์จะต้องทนต่อ TRV ภายในขีดจำกัดมาตรฐาน (IEC 62271-100, IEEE C37.04) เพื่อป้องกันการจุดระเบิดซ้ำ หากการคืนตัวของไดอิเล็กตริกไม่สมบูรณ์เมื่อ TRV สูงสุด การจุดระเบิดอาร์คใหม่จะเกิดขึ้น ซึ่งอาจทำให้เกิดความล้มเหลวอย่างร้ายแรง เมื่อการสั่นชั่วขณะลดลง แรงดันไฟฟ้าจะคงที่ที่แรงดันไฟฟ้าคืนตัวความถี่ไฟฟ้า (RV) ทำให้ลำดับการขัดขวางเสร็จสมบูรณ์และเปิดใช้งานการจ่ายไฟเข้าระบบใหม่ได้ทันที.
ประเภทเซอร์กิตเบรกเกอร์และวิธีการดับอาร์ค
| วงจร Breaker ประเภท | ตัวกลางดับอาร์ค | กลไกการดับหลัก | ช่วงแรงดันไฟฟ้าทั่วไป (Typical Voltage Range) | ข้อได้เปรียบหลัก | ข้อจำกัด |
|---|---|---|---|---|---|
| Vacuum Circuit Breaker (VCB) | สุญญากาศสูง (10⁻⁴ ถึง 10⁻⁷ Pa) | การแพร่กระจายและการควบแน่นของไอโลหะอย่างรวดเร็ว | 3.6 kV ถึง 40.5 kV | การบำรุงรักษาน้อยที่สุด การออกแบบที่กะทัดรัด ไม่มีข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อม | จำกัดเฉพาะการใช้งานแรงดันไฟฟ้าปานกลาง |
| เซอร์กิตเบรกเกอร์ SF₆ | ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ | ความแข็งแรงของไดอิเล็กตริกและการนำความร้อนที่เหนือกว่า | 72.5 kV ถึง 800 kV | ความสามารถในการขัดขวางที่ยอดเยี่ยม ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ | ข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อม (ก๊าซเรือนกระจก) ต้องมีการตรวจสอบก๊าซ |
| เซอร์กิตเบรกเกอร์แบบเป่าลม | ลมอัด (20-30 บาร์) | การเป่าลมด้วยความเร็วสูงทำให้เย็นและกระจายอาร์ค | 132 kV ถึง 400 kV | เทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว ไม่มีก๊าซพิษ | ต้องมีโครงสร้างพื้นฐานของคอมเพรสเซอร์ การสร้างเสียงรบกวน |
| เบรกเกอร์น้ำมัน | น้ำมันฉนวนแร่ | การสร้างก๊าซไฮโดรเจนจากการสลายตัวของน้ำมันทำให้เกิดผลกระทบจากการระเบิด | 11 kV ถึง 220 kV | โครงสร้างเรียบง่าย ประหยัด | อันตรายจากไฟไหม้ ต้องบำรุงรักษาน้ำมันเป็นประจำ |
| เซอร์กิตเบรกเกอร์แม่เหล็กอากาศ | อากาศในชั้นบรรยากาศ | สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนและยืดส่วนโค้งเข้าไปในรางดับอาร์ก | สูงสุด 15 kV | ไม่ต้องใช้ตัวกลางพิเศษ บำรุงรักษาง่าย | ความสามารถในการตัดกระแสไฟจำกัด การออกแบบขนาดใหญ่ |
ข้อกำหนดทางเทคนิค: พารามิเตอร์อาร์กในเซอร์กิตเบรกเกอร์
| พารามิเตอร์ | ความช่วยเหลือจากค่า | ความสำคัญ |
|---|---|---|
| อุณหภูมิอาร์ก | 15,000°C ถึง 30,000°C | กำหนดอัตราการกัดกร่อนของวัสดุและข้อกำหนดในการระบายความร้อน |
| แรงดันอาร์ก | 30V ถึง 500V (แตกต่างกันไปตามประเภท) | ส่งผลต่อการกระจายพลังงานและลักษณะ TRV |
| เวลาอาร์กขั้นต่ำ (50 Hz) | 8-20 มิลลิวินาที | จำเป็นสำหรับการแยกหน้าสัมผัสและการระบายความร้อนที่เพียงพอ |
| อัตราการฟื้นตัวของความเป็นฉนวน | 5-20 kV/μs | ความเร็วในการฟื้นฟูความแข็งแรงของฉนวนหลังจากการดับ |
| ปัจจัยสูงสุดของ TRV | 1.4 ถึง 1.8 × แรงดันไฟของระบบ | แรงดันไฟฟ้าสูงสุดระหว่างช่วงการฟื้นตัว |
| RRRV (อัตราการเพิ่มขึ้น) | 0.1-5 kV/μs | กำหนดความน่าจะเป็นในการเกิดการอาร์กซ้ำ |
| อัตราการกัดกร่อนของหน้าสัมผัส | 0.01-1 มม. ต่อ 1,000 ครั้ง | ส่งผลต่อช่วงเวลาการบำรุงรักษาและอายุการใช้งานของหน้าสัมผัส |
คำถามที่ถูกถามบ่อย
ถาม: ทำไมเซอร์กิตเบรกเกอร์ไม่กำจัดอาร์กอย่างสมบูรณ์ระหว่างการตัดการเชื่อมต่อ
ตอบ: ในระบบ AC การควบคุมอาร์กเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการขัดจังหวะกระแสไฟอย่างปลอดภัย การกำจัดอาร์กจะทำให้พลังงานเหนี่ยวนำสร้างแรงดันไฟฟ้าเกินที่เป็นอันตราย อาร์กให้เส้นทางนำไฟฟ้าที่มีการจัดการซึ่งช่วยให้พลังงานกลับคืนสู่แหล่งที่มาได้อย่างปลอดภัยจนกว่ากระแสจะถึงศูนย์โดยธรรมชาติ ป้องกันความเสียหายของอุปกรณ์และความไม่เสถียรของระบบ.
ถาม: อะไรคือความแตกต่างระหว่าง TRV และ RRRV ในการทำงานของเซอร์กิตเบรกเกอร์
ตอบ: TRV (Transient Recovery Voltage) คือแรงดันไฟฟ้าสั่นทั้งหมดที่ปรากฏบนหน้าสัมผัสเบรกเกอร์หลังจากการดับอาร์ก RRRV (Rate of Rise of Recovery Voltage) วัดโดยเฉพาะว่าแรงดันไฟฟ้านี้เพิ่มขึ้นเร็วแค่ไหนในตอนแรก แสดงเป็น kV/μs RRRV มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากหากแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเร็วกว่าความแข็งแรงของความเป็นฉนวนจะฟื้นตัว การอาร์กซ้ำจะเกิดขึ้น.
ถาม: เซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศดับอาร์กได้อย่างไรโดยไม่มีก๊าซหรือน้ำมัน
ตอบ: เซอร์กิตเบรกเกอร์สุญญากาศใช้ไอโลหะจากการกัดกร่อนของหน้าสัมผัสเป็นตัวกลางอาร์ก ในสุญญากาศสูง (10⁻⁴ ถึง 10⁻⁷ Pa) ไอโลหะจะแพร่กระจายและควบแน่นอย่างรวดเร็วบนพื้นผิวสัมผัสและแผ่นป้องกัน สภาพแวดล้อมสุญญากาศให้การฟื้นตัวของฉนวนที่ดีเยี่ยม (สูงถึง 20 kV/μs) ทำให้สามารถดับอาร์กได้ที่จุดตัดศูนย์ของกระแสไฟครั้งแรก.
ถาม: ปัจจัยใดที่กำหนดเวลาอาร์กขั้นต่ำในเซอร์กิตเบรกเกอร์
ตอบ: เวลาอาร์กขั้นต่ำขึ้นอยู่กับความเร็วในการเปิดหน้าสัมผัส ระยะห่างที่ต้องการ คุณสมบัติของตัวกลางดับอาร์ก และระดับแรงดันไฟฟ้าของระบบ เวลาอาร์กที่ไม่เพียงพอส่งผลให้ช่องว่างหน้าสัมผัสไม่เพียงพอหรือการระบายความร้อนไม่สมบูรณ์ ทำให้เกิดการอาร์กซ้ำเมื่อแรงดันไฟฟ้าฟื้นตัวปรากฏขึ้น ระบบสามเฟสต้องพิจารณาความแตกต่างของมุมเฟสสำหรับการทำงานทางกลพร้อมกัน.
ถาม: ทำไมเซอร์กิตเบรกเกอร์แรงสูงจึงต้องการวิธีการดับอาร์กที่ซับซ้อนกว่า
ตอบ: แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นสร้างอาร์กที่ยาวขึ้นและมีพลังงานมากขึ้นพร้อมกับการแตกตัวเป็นไอออนที่มากขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นต้องใช้กลไกการระบายความร้อนที่ได้รับการปรับปรุง ระยะการเคลื่อนที่ของหน้าสัมผัสที่ยาวขึ้น และตัวกลางดับอาร์กที่เหนือกว่า ระบบแรงสูงยังสร้างแอมพลิจูด TRV และอัตรา RRRV ที่สูงขึ้น ซึ่งต้องการการฟื้นตัวของความเป็นฉนวนที่เร็วขึ้นและความสามารถในการทนต่อที่มากขึ้นเพื่อป้องกันความล้มเหลวในการอาร์กซ้ำที่เป็นหายนะ.
สรุป: วิทยาศาสตร์เบื้องหลังการป้องกันวงจรที่ปลอดภัย
การทำความเข้าใจกระบวนการสำคัญสี่ประการของการตัดการเชื่อมต่อเซอร์กิตเบรกเกอร์ ได้แก่ การแยกหน้าสัมผัสและการสร้างอาร์ก การบำรุงรักษาอาร์กและการคืนพลังงาน การตัดข้ามศูนย์ปัจจุบันและการดับ และการทนต่อ TRV เผยให้เห็นว่าทำไมอาร์กไฟฟ้าที่ควบคุมจึงเป็นพื้นฐานสำหรับการป้องกันระบบไฟฟ้ามากกว่าข้อบกพร่องในการออกแบบที่จะกำจัด.
การออกแบบเซอร์กิตเบรกเกอร์ขั้นสูงของ VIOX Electric ประกอบด้วยเทคโนโลยีการจัดการอาร์กที่ทันสมัย วัสดุสัมผัสที่ปรับให้เหมาะสม และห้องอาร์กที่ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยำเพื่อให้มั่นใจถึงการป้องกันที่เชื่อถือได้ในทุกสภาวะการทำงาน ด้วยการจัดการพลังงานอาร์กอย่างมีประสิทธิภาพและทนต่อ TRV ภายในมาตรฐานสากล เซอร์กิตเบรกเกอร์ VIOX ให้ความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานที่ระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ต้องการ.
สำหรับข้อกำหนดทางเทคนิค คำแนะนำในการใช้งาน หรือโซลูชันเซอร์กิตเบรกเกอร์แบบกำหนดเอง, ติดต่อ VIOX Electric's ทีมวิศวกรเพื่อหารือเกี่ยวกับข้อกำหนดการป้องกันเฉพาะของคุณ.
