อาร์กในเบรกเกอร์คืออะไร?

หนึ่ง ส่วนโค้งใน วงจร breaker คือการปล่อยประจุไฟฟ้าที่ส่องสว่าง—ช่องพลาสมาที่มีอุณหภูมิสูงถึง 20,000°C (36,000°F)—ที่ก่อตัวขึ้นระหว่างหน้าสัมผัสที่แยกจากกันเมื่อเบรกเกอร์ตัดกระแสภายใต้โหลด อาร์กนี้แสดงถึงปรากฏการณ์ที่รุนแรงและใช้พลังงานมากที่สุดอย่างหนึ่งในวิศวกรรมไฟฟ้า ซึ่งสามารถทำลายหน้าสัมผัส จุดประกายไฟ และทำให้เกิดความล้มเหลวของอุปกรณ์อย่างร้ายแรง หากไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสมผ่านทางอุปกรณ์พิเศษ หน้าสัมผัสอาร์ก และระบบดับอาร์ก.

ที่ VIOX Electric ทีมวิศวกรของเราออกแบบและทดสอบเซอร์กิตเบรกเกอร์ทุกวัน โดยได้เห็นโดยตรงว่าอาร์กมีพฤติกรรมอย่างไรในเบรกเกอร์ประเภทต่างๆ ตั้งแต่เซอร์กิตเบรกเกอร์ขนาดเล็กสำหรับที่อยู่อาศัย (MCB) ไปจนถึงอุตสาหกรรม เซอร์กิตเบรกเกอร์แบบเคส (MCCB) แล้ว แอร์เซอร์กิตเบรกเกอร์ (ACB) ความจุสูง. การทำความเข้าใจการก่อตัวของอาร์ก บทบาทสำคัญของหน้าสัมผัสอาร์กในการปกป้องหน้าสัมผัสหลัก และฟิสิกส์ที่ควบคุมการดับอาร์กเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิศวกรไฟฟ้า ผู้จัดการโรงงาน และทุกคนที่รับผิดชอบในการระบุหรือบำรุงรักษาอุปกรณ์ป้องกันวงจร.

คู่มือฉบับสมบูรณ์นี้อธิบายปรากฏการณ์อาร์กจากมุมมองการผลิตของ VIOX ซึ่งครอบคลุมฟิสิกส์ของอาร์ก (จุดแคโทด ปรากฏการณ์แอโนด พลศาสตร์ของพลาสมา) วิธีที่หน้าสัมผัสอาร์กเสียสละตัวเองเพื่อปกป้องหน้าสัมผัสหลัก ลักษณะแรงดันไฟฟ้าของอาร์ก วิธีการดับในเบรกเกอร์ประเภทต่างๆ และเกณฑ์การเลือกเชิงปฏิบัติสำหรับการป้องกันอาร์ก.

อาร์กในเบรกเกอร์คืออะไร?

คำจำกัดความทางเทคนิคของการเกิดอาร์กไฟฟ้า

อาร์กไฟฟ้าในเซอร์กิตเบรกเกอร์คือ การปล่อยประจุไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องผ่านอากาศที่แตกตัวเป็นไอออน (พลาสมา) ที่เกิดขึ้นเมื่อหน้าสัมผัสแยกจากกันภายใต้โหลด แตกต่างจากประกายไฟสั้นๆ อาร์กคือช่องพลาสมาที่ต่อเนื่องและหล่อเลี้ยงตัวเอง ซึ่งนำกระแสไฟฟ้าเต็มวงจรผ่านสิ่งที่ควรจะเป็นช่องว่างอากาศที่เป็นฉนวน.

อาร์กก่อตัวขึ้นเพราะ กระแสพยายามรักษาวิถีของมัน แม้ว่าแรงทางกลจะดึงหน้าสัมผัสออกจากกัน เมื่อการแยกหน้าสัมผัสสร้างช่องว่างอากาศ สนามไฟฟ้าที่รุนแรง (มักจะเกิน 3 ล้านโวลต์ต่อเมตรเมื่อแยกครั้งแรก) จะทำให้อนุภาคอากาศแตกตัวเป็นไอออน โดยแยกพวกมันออกเป็นอิเล็กตรอนอิสระและไอออนบวก ก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนนี้—พลาสมา—จะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้า ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านช่องว่างต่อไปได้ในรูปของอาร์กสีขาวอมฟ้าที่สว่างสดใส.

จากข้อมูลการทดสอบของ VIOX อาร์กทั่วไปใน MCCB 600V ที่ขัดจังหวะ 10,000 แอมแปร์จะไปถึง:

• อุณหภูมิแกนกลาง: 15,000-20,000°C (ร้อนกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ที่ 5,500°C)
• แรงดันไฟฟ้าอาร์ก: 20-60 โวลต์ (แตกต่างกันไปตามความยาวอาร์กและขนาดกระแส)
• ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า: สูงถึง 10^6 A/cm² ที่จุดแคโทด
• ความเร็วพลาสมา: 100-1,000 เมตรต่อวินาทีเมื่อขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็ก
• การกระจายพลังงาน: 200-600 จูลต่อมิลลิวินาทีสำหรับความผิดพลาดของกระแสสูง

ความเข้มข้นของพลังงานที่สูงมากนี้ทำให้การควบคุมอาร์กเป็นความท้าทายที่สำคัญในการออกแบบเซอร์กิตเบรกเกอร์.

ทำไมอาร์กถึงก่อตัว: ฟิสิกส์เบื้องหลังการแยกหน้าสัมผัส

อาร์กเป็นผลที่หลีกเลี่ยงไม่ได้จากการเปิดวงจรที่นำกระแสไฟฟ้า กระบวนการก่อตัวของอาร์กเป็นไปตามหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานเหล่านี้:

1. หลักการความต่อเนื่องของกระแส: กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวงจรเหนี่ยวนำ (ซึ่งรวมถึงระบบไฟฟ้าในโลกแห่งความเป็นจริงทั้งหมด) ไม่สามารถลดลงเป็นศูนย์ได้ทันที เมื่อหน้าสัมผัสเริ่มแยกจากกัน กระแสจะต้องหาเส้นทาง—อาร์กเป็นเส้นทางนั้น.

2. การบีบรัดหน้าสัมผัสและความร้อนเฉพาะที่: แม้ว่าหน้าสัมผัสจะดูเหมือนสัมผัสกันทั่วพื้นที่หน้า แต่การนำกระแสไฟฟ้าจริงเกิดขึ้นผ่านจุดสัมผัสขนาดเล็ก (asperities) ที่ความผิดปกติของพื้นผิวทำให้เกิดการสัมผัส ความหนาแน่นของกระแสที่จุดเหล่านี้สูงมาก ทำให้เกิดความร้อนเฉพาะที่และการเชื่อมขนาดเล็ก.

3. การปล่อยสนามและการแตกตัวเป็นไอออนเริ่มต้น: เมื่อหน้าสัมผัสแยกจากกัน (โดยทั่วไปที่ 0.5-2 เมตรต่อวินาทีในเซอร์กิตเบรกเกอร์) พื้นที่หน้าสัมผัสที่ลดลงทำให้ความหนาแน่นของกระแสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้จะทำให้จุดสัมผัสที่เหลือร้อนถึง 2,000-4,000°C ทำให้วัสดุหน้าสัมผัสกลายเป็นไอ พร้อมกันนี้ ช่องว่างที่กว้างขึ้นจะสร้างสนามไฟฟ้าที่รุนแรงซึ่งทำให้อากาศโดยรอบและไอโลหะแตกตัวเป็นไอออน.

4. การก่อตัวของช่องพลาสมา: เมื่อช่องพลาสมาที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าก่อตัวขึ้น มันจะหล่อเลี้ยงตัวเองผ่านการแตกตัวเป็นไอออนด้วยความร้อน กระแสที่ไหลผ่านพลาสมาจะทำให้มันร้อนขึ้น (ความร้อนจูล: I²R) ซึ่งจะเพิ่มการแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งจะเพิ่มการนำไฟฟ้า ซึ่งจะรักษากระแสไฟฟ้า วงจรป้อนกลับเชิงบวกนี้จะรักษาอาร์กไว้จนกว่าการระบายความร้อนและการยืดตัวภายนอกจะดับมัน.

ในการศึกษาด้วยกล้องความเร็วสูงของ VIOX เกี่ยวกับการเกิดอาร์กในเซอร์กิตเบรกเกอร์แบบเคส เราสังเกตเห็นการสร้างอาร์กเกิดขึ้นภายใน 0.1-0.5 มิลลิวินาทีของการแยกหน้าสัมผัส โดยอาร์กจะเริ่มเคลื่อนที่ทันทีภายใต้แรงแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังรางอาร์กและห้องดับ.

อาร์ก vs ประกายไฟ: ทำความเข้าใจความแตกต่าง

ผู้เชี่ยวชาญด้านไฟฟ้าบางครั้งสับสนระหว่างอาร์กและประกายไฟ แต่เป็นปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน:

ลักษณะเฉพาะ	ประกายไฟ	อาร์ก
ระยะเวลา	ชั่วคราว (ไมโครวินาทีถึงมิลลิวินาที)	ยั่งยืน (มิลลิวินาทีถึงวินาทีหรือนานกว่านั้น)
พลังงาน	การปล่อยพลังงานต่ำ	พลังงานต่อเนื่องสูง
กระแสไหล	พัลส์สั้นๆ โดยทั่วไป <1 แอมแปร์	ต่อเนื่อง นำกระแสไฟฟ้าเต็มวงจร (หลายร้อยถึงหลายพันแอมแปร์)
อุณหภูมิ	ร้อนแต่สั้น	ร้อนจัด (15,000-20,000°C)
หล่อเลี้ยงตัวเอง	ไม่—ยุบตัวทันที	ใช่—ดำเนินต่อไปจนกว่าจะมีการขัดจังหวะภายนอก
ศักยภาพความเสียหาย	การกัดกร่อนพื้นผิวน้อยที่สุด	การกัดกร่อนหน้าสัมผัสอย่างรุนแรง ความเสียหายของอุปกรณ์ ความเสี่ยงจากไฟไหม้
ตัวอย่าง	การปล่อยไฟฟ้าสถิต การเปิดสวิตช์โหลดเบา	เซอร์กิตเบรกเกอร์ขัดจังหวะกระแสไฟผิดพลาด

ความแตกต่างมีความสำคัญเพราะ การระงับประกายไฟ (เช่น RC snubbers ข้ามหน้าสัมผัสรีเลย์) และ การสูญพันธุ์ของอาร์ค (เช่นในเซอร์กิตเบรกเกอร์) ต้องใช้วิธีการทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง.

หน้าสัมผัสอาร์ก vs หน้าสัมผัสหลัก: กลไกการป้องกัน

หนึ่งในส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดแต่ไม่ค่อยมีใครเข้าใจในเซอร์กิตเบรกเกอร์สมัยใหม่คือ หน้าสัมผัสอาร์ค— หน้าสัมผัสพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อปกป้องหน้าสัมผัสหลัก (กระแสไฟฟ้าหลัก) ของเบรกเกอร์จากความเสียหายจากอาร์ค.

หน้าสัมผัสอาร์คคืออะไร?

หน้าสัมผัสอาร์ค (เรียกอีกอย่างว่าแตรอาร์คหรือตัวนำอาร์คในเบรกเกอร์ขนาดใหญ่) เป็นหน้าสัมผัสไฟฟ้าสำรองที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อ:

1. รับอาร์คก่อน เมื่อหน้าสัมผัสเปิดภายใต้โหลด
2. ดึงอาร์คออกไป จากหน้าสัมผัสหลักด้วยวิธีการทางกลและแม่เหล็กไฟฟ้า
3. ทนต่อการกัดกร่อน จากการเกิดอาร์คซ้ำๆ ผ่านวัสดุทนความร้อนพิเศษ
4. นำทางอาร์ค ไปยังห้องดับอาร์คและรางดับอาร์ค

ในระบบหน้าสัมผัสของเซอร์กิตเบรกเกอร์ คุณจะมีคู่หน้าสัมผัสที่แตกต่างกันสองคู่:

หน้าสัมผัสหลัก (หน้าสัมผัสหลัก):

• พื้นที่ผิวสัมผัสขนาดใหญ่ที่ปรับให้เหมาะสมเพื่อความต้านทานต่ำระหว่างการนำกระแสไฟฟ้าตามปกติ
• วัสดุที่เลือกสำหรับค่าการนำไฟฟ้าและความทนทานทางกล (โดยทั่วไปคือเงิน-แคดเมียมออกไซด์, เงิน-ทังสเตน หรือโลหะผสมเงิน-นิกเกิล)
• ออกแบบมาเพื่อนำกระแสไฟฟ้าที่กำหนดอย่างต่อเนื่องโดยไม่ร้อนเกินไป
• ปิดก่อนเมื่อเบรกเกอร์ปิด เปิดทีหลังเมื่อเบรกเกอร์เปิดภายใต้สภาวะไม่มีโหลดหรือกระแสไฟต่ำ
• มีราคาแพงและยากต่อการเปลี่ยนหากเกิดความเสียหาย

หน้าสัมผัสอาร์ค (หน้าสัมผัสสำรอง):

• พื้นที่หน้าสัมผัสขนาดเล็กเพียงพอสำหรับหน้าที่ในการนำอาร์คในช่วงเวลาสั้นๆ
• วัสดุที่เลือกสำหรับความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากอาร์ค (ทองแดง-ทังสเตน, ทังสเตน-คาร์ไบด์ หรือโลหะผสมทนอาร์คพิเศษ)
• ออกแบบมาเพื่อทนต่อการเกิดอาร์คที่รุนแรงในช่วงเวลาสั้นๆ
• เปิดก่อนเมื่อเบรกเกอร์ทริปภายใต้โหลด เริ่มอาร์คออกจากหน้าสัมผัสหลัก
• มักจะรวมเข้ากับตัวนำอาร์คที่เคลื่อนอาร์คไปยังโซนดับโดยตรง
• ถือว่าเป็นวัสดุสิ้นเปลือง—ออกแบบมาให้สึกกร่อนทีละน้อยและเปลี่ยนระหว่างการบำรุงรักษาครั้งใหญ่

หน้าสัมผัสอาร์คปกป้องเบรกเกอร์ได้อย่างไร

กลไกการป้องกันทำงานผ่านการทำงานตามลำดับเวลาที่กำหนดไว้อย่างระมัดระวัง ในการออกแบบ VIOX MCCB ลำดับหน้าสัมผัสเป็นไปตามรูปแบบนี้:

ลำดับการปิด (การจ่ายไฟให้กับวงจร):

1. หน้าสัมผัสหลักปิดก่อน สร้างเส้นทางกระแสไฟฟ้า
2. หน้าสัมผัสอาร์คปิดในภายหลัง (ต่อทีหลัง)
3. ในระหว่างการทำงานปกติ ชุดหน้าสัมผัสทั้งสองชุดนำกระแสไฟฟ้า แต่หน้าสัมผัสหลักนำกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่เนื่องจากความต้านทานที่ต่ำกว่า

ลำดับการเปิดภายใต้โหลด (การขัดจังหวะกระแสไฟฟ้า):

1. กลไกการทริปทำงาน
2. หน้าสัมผัสอาร์คเริ่มแยกออกจากกันก่อน (ตัดก่อน) ในขณะที่หน้าสัมผัสหลักยังคงปิดอยู่
3. เมื่อช่องว่างหน้าสัมผัสอาร์คกว้างขึ้น อาร์คจะก่อตัวขึ้นระหว่างหน้าสัมผัสเหล่านั้น—แต่หน้าสัมผัสหลักยังคงปิดอยู่ นำกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นทางโลหะ
4. หน้าสัมผัสหลักเปิดทันทีหลังจากนั้น แต่ในเวลานี้ อาร์คได้ก่อตัวขึ้นแล้วบนหน้าสัมผัสอาร์ค ไม่ใช่หน้าสัมผัสหลัก
5. หน้าสัมผัสอาร์คยังคงแยกออกจากกัน ทำให้อาร์คยาวขึ้น
6. แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (แรงลอเรนซ์จากสนามแม่เหล็กของอาร์คเอง) ดันอาร์คไปบนตัวนำอาร์ค
7. อาร์คเคลื่อนที่เข้าไปในรางดับอาร์คหรือห้องดับอาร์ค ซึ่งจะถูกทำให้เย็นลง ทำให้ยาวขึ้น และดับลง
8. หน้าสัมผัสหลักยังคงไม่เสียหายเนื่องจากไม่เคยเกิดอาร์ค

การทำงานแบบตัดก่อน/ต่อทีหลังนี้หมายความว่า หน้าสัมผัสหลักจะจัดการเฉพาะกระแสโหลดปกติและเปิดภายใต้สภาวะไร้อาร์ค, ในขณะที่หน้าสัมผัสอาร์คดูดซับพลังงานทำลายล้างทั้งหมดของการก่อตัวและการขัดจังหวะของอาร์ค.

ผลกระทบในโลกแห่งความเป็นจริง: ประสบการณ์ภาคสนามของ VIOX

ในการวิเคราะห์เบรกเกอร์ที่ส่งคืนของ VIOX ที่ล้มเหลวในการขัดขวางข้อผิดพลาดอย่างเหมาะสม เราพบว่าความล้มเหลวร้ายแรงประมาณ 60-70% เกี่ยวข้องกับ:

1. หน้าสัมผัสอาร์คหายไปหรือสึกกร่อนอย่างรุนแรง ทำให้เกิดอาร์คบนหน้าสัมผัสหลักโดยตรง
2. กลไกหน้าสัมผัสอาร์คไม่ตรงแนว ทำให้หน้าสัมผัสหลักแยกออกจากกันก่อนหน้าสัมผัสอาร์ค
3. ข้อกำหนดวัสดุที่ไม่ถูกต้อง โดยที่หน้าสัมผัสอาร์คใช้โลหะผสมเงินมาตรฐานแทนที่จะเป็นองค์ประกอบทังสเตนที่ทนต่ออาร์ค

การออกแบบและการบำรุงรักษาหน้าสัมผัสอาร์คที่เหมาะสมช่วยยืดอายุการใช้งานของเซอร์กิตเบรกเกอร์ได้ 3-5 เท่าในการใช้งานหนัก ในสถานที่สำคัญ เช่น ศูนย์ข้อมูลและโรงพยาบาล ซึ่งเบรกเกอร์ของเราปกป้องวงจรความปลอดภัยในชีวิต เรากำหนดระบบหน้าสัมผัสอาร์คที่ได้รับการปรับปรุงด้วยชั้นทังสเตนที่หนาขึ้นและรอบการตรวจสอบที่บ่อยขึ้น (ทุกปีแทนที่จะเป็นทุกๆ 3-5 ปี).

ฟิสิกส์ของการก่อตัวของอาร์ค: จุดแคโทด, ปรากฏการณ์แอโนด และพลศาสตร์ของพลาสมา

เพื่อให้เข้าใจอย่างแท้จริงว่าเซอร์กิตเบรกเกอร์ควบคุมอาร์คได้อย่างไร เราต้องตรวจสอบฟิสิกส์พื้นฐานที่ควบคุมพฤติกรรมของอาร์ค ส่วนนี้สำรวจฟิสิกส์ของอาร์คในระดับที่เหนือกว่าสิ่งที่คู่แข่งมักจะครอบคลุม—ให้ความรู้ทางเทคนิคอย่างลึกซึ้งแก่วิศวกรไฟฟ้าในการระบุและแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอาร์ค.

ปรากฏการณ์แคโทด: แหล่งพลังงานของอาร์ค

การ แคโทด (อิเล็กโทรดลบ) คือที่ที่อิเล็กตรอนเกิดขึ้นในอาร์คไฟฟ้า ต่างจากการนำไฟฟ้าในสภาวะคงที่ซึ่งกระแสไฟฟ้าไหลอย่างสม่ำเสมอ แคโทดอาร์ครวมความหนาแน่นกระแสไฟฟ้ามหาศาลไว้ในบริเวณที่ใช้งานขนาดเล็กที่เรียกว่า จุดแคโทด.

ลักษณะเฉพาะของจุดแคโทด (จากการวัดในห้องปฏิบัติการ VIOX):

• ขนาด: เส้นผ่านศูนย์กลาง 10-100 ไมโครเมตร
• ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า: 10^6 ถึง 10^9 A/cm² (ล้านถึงพันล้านแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร)
• อุณหภูมิ: 3,000-4,000°C ที่พื้นผิวแคโทด
• อายุการใช้งาน: ไมโครวินาที—จุดดับและก่อตัวใหม่อย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดลักษณะการสั่นไหวของอาร์ค
• การปล่อยวัสดุ: จุดแคโทดทำให้วัสดุอิเล็กโทรดกลายเป็นไอ พ่นไอโลหะ ไอออน และไมโครดรอปเล็ตเข้าไปในคอลัมน์อาร์ค

จุดแคโทดทำงานผ่าน การปล่อยความร้อน แล้ว การปล่อยสนามไฟฟ้า:

1. การปล่อยความร้อน: ความร้อนที่รุนแรง ณ จุดสัมผัสขนาดเล็กให้พลังงานความร้อนเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวโลหะ เอาชนะฟังก์ชันงาน (พลังงานยึดเหนี่ยว) สำหรับหน้าสัมผัสทองแดง ฟังก์ชันงาน ≈ 4.5 eV ต้องใช้อุณหภูมิ >2,000 K เพื่อการปล่อยที่มีนัยสำคัญ.
2. การปล่อยสนามไฟฟ้า: สนามไฟฟ้าที่รุนแรงบนพื้นผิวแคโทด (10^8 ถึง 10^9 V/m) ดึงอิเล็กตรอนออกจากโลหะอย่างแท้จริงผ่านการทะลุทะลวงควอนตัม แม้ในอุณหภูมิต่ำ การปล่อยสนามไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในสุญญากาศและเบรกเกอร์ SF6 ซึ่งสามารถรักษากำลังสนามสูงได้.

ผลกระทบจากการเลือกวัสดุ: การสึกกร่อนของแคโทดเป็นกลไกการสึกหรอหลักสำหรับหน้าสัมผัสอาร์ค VIOX ระบุ วัสดุผสมทังสเตน-ทองแดง (โดยทั่วไปคือทังสเตน 75%, ทองแดง 25%) สำหรับหน้าสัมผัสอาร์คเนื่องจาก:

• จุดหลอมเหลวสูงของทังสเตน (3,422°C) ช่วยลดอัตราการกลายเป็นไอ
• ฟังก์ชันงานสูงของทังสเตน (4.5 eV) ช่วยลดการปล่อยความร้อน ทำให้จุดแคโทดมีเสถียรภาพ
• ทองแดงให้การนำไฟฟ้าและการนำความร้อนเพื่อระบายความร้อน
• วัสดุผสมต้านทานการสึกกร่อนได้ดีกว่าหน้าสัมผัสทองแดงหรือเงินบริสุทธิ์ 3-5 เท่า

ปรากฏการณ์แอโนด: การระบายความร้อนและการถ่ายโอนวัสดุ

การ แอโนด (อิเล็กโทรดบวก) รับการไหลของอิเล็กตรอนจากแคโทด พฤติกรรมของแอโนดแตกต่างจากพฤติกรรมของแคโทดโดยพื้นฐาน:

ลักษณะเฉพาะของแอโนด:

• กลไกการทำความร้อน: การระดมยิงโดยอิเล็กตรอนความเร็วสูงจากแคโทด ซึ่งแปลงพลังงานจลน์เป็นความร้อนเมื่อกระทบ
• อุณหภูมิ: จุดแอโนดโดยทั่วไปเย็นกว่าจุดแคโทด 500-1,000°C
• ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า: กระจายมากกว่าแคโทด—กระจายไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่กว่า
• การถ่ายโอนวัสดุ: ในอาร์ค DC วัสดุจะสึกกร่อนจากแคโทดและสะสมบนแอโนด สร้าง “โลหะที่ถ่ายโอน” ที่เป็นลักษณะเฉพาะซึ่งสังเกตได้ในหน้าสัมผัสที่เสียหายจากอาร์ค

ใน วงจร AC (ส่วนใหญ่ของการใช้งานเซอร์กิตเบรกเกอร์) ขั้วจะกลับด้าน 50-60 ครั้งต่อวินาที ดังนั้นหน้าสัมผัสแต่ละด้านจะสลับระหว่างแคโทดและแอโนด ขั้วสลับนี้อธิบายว่าทำไมหน้าสัมผัสเซอร์กิตเบรกเกอร์ AC จึงแสดงรูปแบบการสึกกร่อนที่สม่ำเสมอมากกว่าเบรกเกอร์ DC ซึ่งการสึกกร่อนของแคโทดมีบทบาทสำคัญ.

คอลัมน์อาร์ค: ฟิสิกส์พลาสมาในการปฏิบัติ

การ คอลัมน์อาร์ค คือช่องพลาสมาส่องสว่างที่เชื่อมต่อแคโทดและแอโนด นี่คือจุดที่พลังงานอาร์คส่วนใหญ่กระจายไป.

คุณสมบัติของพลาสมา:

• องค์ประกอบ: ไอโลหะที่แตกตัวเป็นไอออนจากการสึกกร่อนของอิเล็กโทรด + อากาศที่แตกตัวเป็นไอออน (ไนโตรเจน ออกซิเจนกลายเป็นไอออน N+, O+ บวกกับอิเล็กตรอนอิสระ)
• โปรไฟล์อุณหภูมิ: 15,000-20,000°C ที่แกนกลาง ลดลงในแนวรัศมีไปยังขอบ
• การนำไฟฟ้า: 10^3 ถึง 10^4 ซีเมนส์/เมตร—นำไฟฟ้าได้สูง เทียบได้กับโลหะที่ไม่ดี
• การนำความร้อน: สูง—พลาสมาถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศโดยรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• การปล่อยแสง: แสงสีขาว-น้ำเงินที่รุนแรงจากการกระตุ้นและการรวมตัวของอิเล็กตรอน (อิเล็กตรอนกลับสู่สถานะพื้นดินปล่อยโฟตอน)

สมดุลพลังงานในคอลัมน์อาร์ค:

คอลัมน์อาร์คต้องรักษาสมดุลทางความร้อนระหว่างพลังงานที่ป้อน (ความร้อนจูล: V_arc × I) และการสูญเสียพลังงาน (การแผ่รังสี การพาความร้อน การนำความร้อน):

• พลังงานที่ป้อน: P_in = V_arc × I (โดยทั่วไปคือ 20-60V × 1,000-50,000A = 20 kW ถึง 3 MW)
• การสูญเสียจากการแผ่รังสี: พลาสมาอุณหภูมิสูงแผ่รังสี UV และแสงที่มองเห็นได้ (Stefan-Boltzmann: P ∝ T^4)
• การสูญเสียจากการพาความร้อน: พลาสมาลอยขึ้นเนื่องจากแรงลอยตัว (ก๊าซร้อน) และถูกพัดพาโดยแรงแม่เหล็ก
• การสูญเสียจากการนำความร้อน: ความร้อนนำไปยังอิเล็กโทรด ผนังห้องอาร์ค และก๊าซโดยรอบ

เมื่อการสูญเสียพลังงานเกินพลังงานที่ป้อน (เช่น เมื่ออาร์คยาวขึ้นหรือเย็นลงอย่างรวดเร็ว) อุณหภูมิของพลาสมาจะลดลง การแตกตัวเป็นไอออนลดลง ความต้านทานเพิ่มขึ้น และอาร์คดับ.

ลักษณะแรงดันไฟฟ้าอาร์ค: กุญแจสำคัญในการจำกัดกระแส

หนึ่งในพารามิเตอร์อาร์คที่สำคัญที่สุดสำหรับประสิทธิภาพของเซอร์กิตเบรกเกอร์คือ แรงดันไฟฟ้าอาร์ค—แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมอาร์คจากแคโทดไปยังแอโนด.

ส่วนประกอบแรงดันไฟฟ้าอาร์ค:

V_arc = V_cathode + V_column + V_anode

ที่ไหน:

• V_cathode: แรงดันตกคร่อมที่แคโทด (โดยทั่วไป 10-20V)—พลังงานที่ต้องใช้ในการดึงอิเล็กตรอนออกจากแคโทด
• V_column: แรงดันตกคร่อมในคอลัมน์ (แปรผันตามความยาวอาร์ค: ~10-50V ต่อซม. ของความยาวอาร์ค)
• V_anode: แรงดันตกคร่อมที่แอโนด (โดยทั่วไป 5-10V)—พลังงานที่สูญเสียไปเมื่ออิเล็กตรอนชนกับแอโนด

Total arc voltage ในเซอร์กิตเบรกเกอร์ VIOX ระหว่างการขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจร:

Breaker ประเภท	ช่องว่างอาร์คเริ่มต้น	ความยาวอาร์คหลังการเป่าดับ	แรงดันอาร์คโดยทั่วไป
MCB (ขนาดเล็ก)	2-4 มม.	20-40 มม. (ในรางดับอาร์ค)	30-80V
MCCB (แบบหุ้ม)	5-10 มม.	50-120 มม. (ในรางดับอาร์ค)	60-150V
ACB (แอร์เซอร์กิตเบรกเกอร์)	10-20 มม.	150-300 มม. (ฮอร์นอาร์คแบบขยาย)	100-200V
VCB (สุญญากาศ)	5-15 มม.	ไม่มีการยืด (สุญญากาศ)	20-50V (ต่ำเนื่องจากระยะเวลาสั้น)

แรงดันอาร์คและการจำกัดกระแส:

แรงดันอาร์คเป็นกลไกที่ เซอร์กิตเบรกเกอร์จำกัดกระแส ลดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรให้ต่ำกว่าระดับที่คาดการณ์ไว้ ระบบสามารถจำลองได้ดังนี้:

V_system = I × Z_system + V_arc

จัดเรียงใหม่:

I = (V_system – V_arc) / Z_system

โดยการพัฒนาแรงดันอาร์คสูงอย่างรวดเร็ว (ผ่านการยืดอาร์ค การระบายความร้อน และการทำงานร่วมกันของแผ่นแยก) เบรกเกอร์จะลดแรงดันขับเคลื่อนสุทธิ ซึ่งเป็นการจำกัดกระแส MCCB จำกัดกระแสของ VIOX พัฒนาแรงดันอาร์ค 120-180V ภายใน 2-3 มิลลิวินาที ลดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุดเหลือ 30-40% ของค่าที่คาดการณ์ไว้.

การวัดแรงดันอาร์ค: ในระหว่างการทดสอบการลัดวงจรในห้องปฏิบัติการ 65 kA ของ VIOX เราวัดแรงดันอาร์คโดยใช้โพรบดิฟเฟอเรนเชียลแรงดันสูงและการเก็บข้อมูลความเร็วสูง (อัตราการสุ่มตัวอย่าง 1 MHz) รูปคลื่นแรงดันอาร์คแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อหน้าสัมผัสแยกจากกัน จากนั้นความผันผวนที่เป็นลักษณะเฉพาะเมื่ออาร์คเคลื่อนที่ผ่านรางดับอาร์ค จากนั้นการยุบตัวอย่างกะทันหันเป็นศูนย์ที่กระแสเป็นศูนย์เมื่ออาร์คดับ.

วิธีการดับอาร์คในเซอร์กิตเบรกเกอร์ประเภทต่างๆ

เทคโนโลยีเซอร์กิตเบรกเกอร์ที่แตกต่างกันใช้วิธีการดับอาร์คที่แตกต่างกัน ซึ่งแต่ละวิธีได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับคลาสแรงดันไฟฟ้า พิกัดกระแส และข้อกำหนดการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง.

แอร์เซอร์กิตเบรกเกอร์ (ACBs): การเป่าลมด้วยแม่เหล็กและรางดับอาร์ค

เบรกเกอร์วงจรอากาศ เป็นเครื่องมือสำคัญแบบดั้งเดิมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ (ขนาดเฟรม 800-6300A ความสามารถในการตัดกระแสสูงสุด 100 kA) พวกเขาดับอาร์คในที่โล่งโดยใช้แรงทางกลและแม่เหล็กไฟฟ้า.

กลไกการดับอาร์ค:

1. ระเบิดแม่เหล็ก: แม่เหล็กถาวรหรือคอยล์แม่เหล็กไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากกับเส้นทางอาร์ค กระแสอาร์คทำปฏิกิริยากับสนามนี้ ทำให้เกิดแรงลอเรนซ์: F = I × L × B
   • ทิศทางของแรง: ตั้งฉากกับทั้งกระแสและสนามแม่เหล็ก (กฎมือขวา)
   • ขนาด: เป็นสัดส่วนกับกระแสอาร์ค—กระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่สูงกว่าจะถูกเป่าเร็วขึ้น
   • ผลกระทบ: ขับอาร์คขึ้นและออกจากหน้าสัมผัสด้วยความเร็ว 50-200 ม./วินาที
2. ตัวนำอาร์ค: อาร์คถูกผลักไปบนตัวนำทองแดงหรือเหล็กที่ขยายออกไป ซึ่งจะยืดเส้นทางอาร์ค เพิ่มแรงดันอาร์คและความต้านทาน.
3. รางดับอาร์ค (ตัวแยกอาร์ค): อาร์คเข้าไปในห้องที่มีแผ่นโลหะขนานหลายแผ่น (โดยทั่วไปคือ 10-30 แผ่น โดยเว้นระยะห่าง 2-8 มม.) อาร์คคือ:
   • แยก เป็นอาร์คแบบอนุกรมหลายตัว (หนึ่งตัวระหว่างแผ่นแต่ละคู่)
   • ระบายความร้อน โดยการสัมผัสทางความร้อนกับแผ่นโลหะ
   • ยืด ขณะที่มันแผ่กระจายไปทั่วพื้นผิวแผ่น
   • แต่ละช่องว่างเพิ่ม ~20-40V ให้กับแรงดันอาร์ค ดังนั้น 20 แผ่น = แรงดันอาร์ครวม 400-800V
4. การลดการแตกตัวเป็นไอออน: การผสมผสานระหว่างการระบายความร้อนและการตัดผ่านศูนย์กระแส (ในระบบ AC) ช่วยให้อากาศลดการแตกตัวเป็นไอออน ป้องกันการเกิดอาร์คซ้ำ.

การออกแบบ VIOX ACB: ACBs VAB-series ของเราใช้รูปทรงรางดับอาร์คที่ปรับให้เหมาะสม โดยมีแผ่นแยกที่เว้นระยะห่างกันอย่างใกล้ชิด (3-5 มม.) และแม่เหล็กถาวรที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งสร้างความแรงสนาม 0.3-0.8 เทสลา การออกแบบนี้ดับอาร์คได้อย่างน่าเชื่อถือถึง 100 kA ภายใน 12-18 มิลลิวินาที.

Molded-Case Circuit Breakers (MCCBs): รางดับอาร์คขนาดกะทัดรัด

MCCB รถมอเตอร์ไซค์ เป็นเซอร์กิตเบรกเกอร์อุตสาหกรรมที่พบมากที่สุด (16-1600A) ซึ่งต้องใช้ระบบดับอาร์คขนาดกะทัดรัดที่เหมาะสำหรับเคสแบบหุ้ม.

กลยุทธ์การดับอาร์ค:

MCCB ใช้หลักการคล้ายกับ ACB แต่ในห้องอาร์คที่มีขนาดเล็กลงและปรับให้เหมาะสม:

1. การออกแบบห้องอาร์ค: ตัวเรือนขึ้นรูปทนอาร์คในตัว (มักเป็นวัสดุผสมแก้ว-โพลีเอสเตอร์) ที่กักเก็บอาร์คและนำก๊าซ
2. การระเบิดแม่เหล็ก: แม่เหล็กถาวรขนาดเล็กหรือขดลวดเป่าลมที่มีกระแสไฟฟ้า
3. รางดับอาร์คขนาดกะทัดรัด: แผ่นแยก 8-20 แผ่นในปริมาตรที่จำกัด
4. การระบายแรงดันก๊าซ: การระบายอากาศที่ควบคุมได้ช่วยระบายแรงดันในขณะที่ป้องกันการเกิดเปลวไฟภายนอก

MCCB จำกัดกระแส: ซีรีส์ CLM ของ VIOX ใช้การออกแบบห้องอาร์คที่ได้รับการปรับปรุง:

• ระยะห่างที่แคบ: แผ่นแยกมีระยะห่าง 2-3 มม. (เทียบกับ 4-6 มม. ใน MCCB มาตรฐาน)
• เส้นทางที่ยาวขึ้น: อาร์คถูกบังคับให้เดินทาง 80-120 มม. ผ่านรางดับอาร์ครูปตัวเอส
• การพัฒนาแรงดันไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว: แรงดันไฟฟ้าอาร์คถึง 120-180V ภายใน 2ms
• พลังงานที่ปล่อยผ่าน: ลดลงเหลือ 20-30% ของ I²t ที่คาดการณ์ไว้

การออกแบบจำกัดกระแสเหล่านี้ช่วยปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อน ลดอันตรายจากอาร์คแฟลช และลดความเค้นทางกลบนบัสบาร์และสวิตช์เกียร์.

เซอร์กิตเบรกเกอร์ขนาดเล็ก (MCB): การควบคุมอาร์คด้วยความร้อนและแม่เหล็ก

เอ็มซีบี (เบรกเกอร์สำหรับที่อยู่อาศัย/เชิงพาณิชย์ 6-125A) ใช้การดับอาร์คแบบง่ายที่เหมาะสมสำหรับกระแสไฟผิดพร่องที่ต่ำกว่าและการสร้างแบบขั้วเดียวขนาดกะทัดรัด.

คุณสมบัติการดับอาร์ค:

1. รางโค้ง: แผ่นแยก 6-12 แผ่นในห้องขึ้นรูปขนาดกะทัดรัด
2. การระเบิดแม่เหล็ก: แม่เหล็กถาวรขนาดเล็กหรือตัวนำอาร์คเฟอร์โรแมกเนติก
3. การปล่อยก๊าซ: ความร้อนจากอาร์คทำให้ส่วนประกอบรางดับอาร์คที่เป็นเส้นใยหรือพอลิเมอร์ระเหยกลายเป็นไอ ทำให้เกิดก๊าซกำจัดไอออน (ไฮโดรเจนจากการสลายตัวของพอลิเมอร์) ที่ช่วยระบายความร้อนและดับอาร์ค

การออกแบบ VIOX MCB (ซีรีส์ VOB4/VOB5):

• รางดับอาร์คผ่านการทดสอบการทำงานขัดจังหวะ 10,000 ครั้งตามมาตรฐาน IEC 60898-1
• อาร์คดับภายใน 8-15 มิลลิวินาทีสำหรับกระแสไฟผิดพร่องที่กำหนด (6 kA หรือ 10 kA)
• การกักเก็บอาร์คภายในได้รับการตรวจสอบแล้วเพื่อป้องกันการเกิดเปลวไฟภายนอก

Vacuum Circuit Breakers (VCB): การดับอาร์คอย่างรวดเร็วในสุญญากาศ

Vacuum circuit breakers ใช้วิธีการที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง: กำจัดตัวกลางออกไปโดยสิ้นเชิง หน้าสัมผัสทำงานในขวดสุญญากาศที่ปิดสนิท (ความดัน 10^-6 ถึง 10^-7 Torr).

กลไกการดับอาร์ค:

ในสุญญากาศ ไม่มีก๊าซที่จะแตกตัวเป็นไอออน เมื่อหน้าสัมผัสแยกจากกัน:

1. อาร์คไอโลหะ: อาร์คเริ่มต้นประกอบด้วยไอโลหะที่แตกตัวเป็นไอออนจากพื้นผิวสัมผัสเท่านั้น
2. การขยายตัวอย่างรวดเร็ว: ไอโลหะขยายตัวเข้าไปในสุญญากาศและควบแน่นบนพื้นผิวเย็น (แผ่นป้องกันและหน้าสัมผัส)
3. การกำจัดไอออนอย่างรวดเร็ว: ที่กระแสเป็นศูนย์ ไอออนและอิเล็กตรอนที่เหลือจะรวมตัวกันใหม่หรือสะสมภายในไมโครวินาที
4. การฟื้นตัวของไดอิเล็กตริกสูง: ช่องว่างสุญญากาศกลับคืนความแข็งแรงของไดอิเล็กตริกเต็มที่เกือบจะในทันที
5. การสูญพันธุ์ของอาร์ค: โดยทั่วไปภายใน 3-8 มิลลิวินาที (1/2 ถึง 1 รอบที่ 50/60 Hz)

ข้อดีของ VCB:

• การสึกกร่อนของหน้าสัมผัสน้อยที่สุด (เฉพาะไอโลหะ ไม่มีการทำปฏิกิริยากับก๊าซ)
• การขัดจังหวะที่รวดเร็วมาก (3-8 ms)
• อายุการใช้งานของหน้าสัมผัสยาวนาน (การทำงาน 100,000+ ครั้ง)
• ไม่ต้องบำรุงรักษา (ปิดผนึกตลอดอายุการใช้งาน)
• ขนาดกะทัดรัด

ข้อจำกัด:

• ราคาแพงกว่าแอร์เบรกเกอร์
• แรงดันไฟฟ้าจำกัด (โดยทั่วไป 1-38 kV; ไม่เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันแรงดันต่ำ)
• ศักยภาพในการเกิดแรงดันไฟฟ้าเกิน (กระแสสับ) ในบางแอปพลิเคชัน

VIOX ผลิต VCB (คอนแทคเตอร์สุญญากาศซีรีส์ VVB) สำหรับการควบคุมมอเตอร์แรงดันปานกลางและการสลับตัวเก็บประจุ ซึ่งอายุการใช้งานที่ยาวนานและการบำรุงรักษาน้อยที่สุดสมเหตุสมผลกับค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้น.

SF6 Circuit Breakers: การดับอาร์คด้วยแรงดันสูง

SF6 breakers ใช้ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ ซึ่งมีคุณสมบัติในการดับอาร์คที่ยอดเยี่ยม:

• ความแข็งแรงของฉนวนไฟฟ้า: 2-3 เท่าของอากาศที่ความดันเดียวกัน
• อิเล็กโตรเนกาติวิตี: SF6 จับอิเล็กตรอนอิสระ กำจัดไอออนของอาร์คอย่างรวดเร็ว
• การนำความร้อน: ระบายความร้อนพลาสมาอาร์คได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การสูญพันธุ์ของอาร์ค:

อาร์คก่อตัวใน SF6 ที่มีแรงดัน (2-6 บาร์) ที่กระแสเป็นศูนย์ SF6 จะกำจัดความร้อนและจับอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็ว ทำให้การฟื้นตัวของไดอิเล็กตริกเกิดขึ้นภายในไมโครวินาที ใช้เป็นหลักในแอปพลิเคชันแรงดันสูง (>72 kV) และเบรกเกอร์แรงดันปานกลางบางรุ่น.

การพิจารณาด้านสิ่งแวดล้อม: SF6 เป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพ (23,500 เท่าของ CO2 ในช่วง 100 ปี) ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนผ่านของอุตสาหกรรมไปสู่ทางเลือกสุญญากาศและฉนวนอากาศ VIOX ไม่ได้ผลิตเบรกเกอร์ SF6 โดยมุ่งเน้นที่เทคโนโลยีอากาศและสุญญากาศที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแทน.

Circuit Breaker Arc Ratings and Standards

การเลือกเซอร์กิตเบรกเกอร์ต้องมีความเข้าใจเกี่ยวกับการจัดอันดับที่เกี่ยวข้องกับอาร์คที่เป็นมาตรฐาน ซึ่งกำหนดความสามารถของเบรกเกอร์ในการขัดจังหวะกระแสไฟผิดพร่องอย่างปลอดภัย การจัดอันดับเหล่านี้แตกต่างกันไปในแต่ละภูมิภาคและองค์กรมาตรฐาน แต่ทั้งหมดกล่าวถึงคำถามพื้นฐานเดียวกัน: เบรกเกอร์นี้สามารถดับอาร์คได้อย่างปลอดภัยเมื่อขัดจังหวะกระแสไฟผิดพร่องสูงสุดที่มีอยู่หรือไม่

Interrupting Capacity (Breaking Capacity)

การขัดจังหวะความจุ คือค่ากระแสลัดวงจรสูงสุดที่เซอร์กิตเบรกเกอร์สามารถตัดวงจรได้อย่างปลอดภัยโดยไม่เกิดความเสียหายหรือล้มเหลว ค่านี้แสดงถึงสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุด: การลัดวงจรโดยตรง (ความผิดพลาดของอิมพีแดนซ์เป็นศูนย์) ที่เกิดขึ้นที่ขั้วต่อเบรกเกอร์.

IEC Standards (IEC 60947-2 สำหรับ MCCBs):

• Icu (ความสามารถในการตัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุด): ค่ากระแสลัดวงจรสูงสุดที่เบรกเกอร์สามารถตัดวงจรได้เพียงครั้งเดียว หลังจากการตัดวงจร Icu เบรกเกอร์อาจต้องได้รับการตรวจสอบหรือเปลี่ยนใหม่ แสดงในหน่วย kA (กิโลแอมป์).
• Ics (ความสามารถในการตัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในการใช้งาน): ค่ากระแสลัดวงจรที่เบรกเกอร์สามารถตัดวงจรได้หลายครั้ง (โดยทั่วไป 3 ครั้ง) และยังคงทำงานได้ตามปกติ โดยปกติคือ 25%, 50%, 75% หรือ 100% ของ Icu.

UL/ANSI Standards (UL 489 สำหรับ MCCBs):

• Interrupting Rating (IR หรือ AIC): ค่าเดียวที่แสดงในหน่วยแอมป์ (เช่น 65,000 A หรือ “65kA”) เบรกเกอร์ต้องตัดกระแสไฟฟ้าระดับนี้และผ่านการทดสอบที่ตามมาโดยไม่ล้มเหลว โดยทั่วไปเทียบได้กับ IEC Icu.

VIOX Product Ranges:

Breaker ประเภท	Typical Frame Sizes	VIOX Interrupting Capacity Range	การปฏิบัติตามมาตรฐาน
MCB	6-63A	6 kA, 10 kA	IEC 60898-1, EN 60898-1
MCCB	16-1600A	35 kA, 50 kA, 65 kA, 85 kA	IEC 60947-2, UL 489
เอซีบี	800-6300A	50 kA, 65 kA, 80 kA, 100 kA	IEC 60947-2, UL 857

Selection Guidance: ค่า Interrupting capacity ของเบรกเกอร์ต้องสูงกว่า available fault current (หรือที่เรียกว่า prospective short-circuit current) ณ จุดติดตั้ง กระแสลัดวงจรนี้คำนวณจากความสามารถของหม้อแปลงไฟฟ้าของการไฟฟ้า อิมพีแดนซ์ของสายเคเบิล และอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่าย การติดตั้งเบรกเกอร์ที่มีค่า Interrupting capacity ไม่เพียงพอจะส่งผลให้เกิดความล้มเหลวอย่างร้ายแรงระหว่างเกิดความผิดพลาด—อาร์คไม่สามารถดับได้ เบรกเกอร์ระเบิด และเกิดไฟไหม้/การบาดเจ็บตามมา.

VIOX แนะนำให้มีค่าเผื่อความปลอดภัย: ระบุเบรกเกอร์ที่มีพิกัดอย่างน้อย 125% ของกระแสลัดวงจรที่คำนวณได้ เพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงของระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้าและความไม่แน่นอนในการคำนวณ.

Short-Time Withstand Current Ratings

สำหรับ selective coordination ในระบบป้องกันแบบ Cascaded บางเบรกเกอร์ (โดยเฉพาะ ACBs และ MCCBs แบบ Electronic-trip) จะมีค่า Short-time delay ที่ตั้งใจให้ทนต่อกระแสลัดวงจรในช่วงเวลาสั้นๆ (0.1-1.0 วินาที) เพื่อให้เบรกเกอร์ที่อยู่ปลายน้ำตัดวงจรก่อน.

Icw (IEC 60947-2): Short-time withstand current rating เบรกเกอร์สามารถทนต่อกระแสลัดวงจรนี้ได้ในช่วงเวลาที่กำหนด (เช่น 1 วินาที) โดยไม่ตัดวงจรหรือเสียหาย ทำให้สามารถประสานงานกับอุปกรณ์ที่อยู่ปลายน้ำได้.

รุ่น VIOX ACB ที่มีชุด Trip LSI (Long-time, Short-time, Instantaneous) มีการตั้งค่า Short-time ที่ปรับได้ (0.1-0.4 วินาที) และค่า Icw 30-85 kA ทำให้สามารถ Selective coordination ในระบบจำหน่ายไฟฟ้าอุตสาหกรรมได้.

Arc Flash Incident Energy and Labels

นอกเหนือจากพิกัดของเบรกเกอร์เองแล้ว, arc flash hazard ข้อกำหนดในการติดฉลาก (ตาม NEC 110.16, NFPA 70E และ IEEE 1584) กำหนดให้อุปกรณ์ไฟฟ้าแสดง available fault current แล้ว เวลาเคลียร์ เพื่อให้สามารถคำนวณ Arc flash boundary และ Incident energy ได้.

VIOX จัดส่งเบรกเกอร์ทั้งหมดพร้อมเอกสารประกอบเพื่อรองรับการติดฉลาก Arc flash:

• Maximum available fault current rating
• Typical clearing times ที่ระดับกระแสลัดวงจรต่างๆ (จาก Time-current curves)
• Let-through I²t values สำหรับ Current-limiting breakers

ผู้รับเหมาไฟฟ้าและวิศวกรใช้ข้อมูลนี้กับซอฟต์แวร์คำนวณ Arc flash เพื่อกำหนด Incident energy (cal/cm²) และกำหนดระยะการทำงานที่ปลอดภัยและข้อกำหนด PPE.

การทดสอบและการรับรอง

เซอร์กิตเบรกเกอร์ VIOX ทั้งหมดผ่านการทดสอบและรับรองโดย Third-party เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการตัดวงจร Arc:

Type Testing (ตาม IEC 60947-2 และ UL 489):

1. Short-circuit test sequence: เบรกเกอร์ตัดกระแสลัดวงจรที่กำหนดหลายครั้ง (ลำดับ “O-t-CO”: Open, time delay, Close-Open) เพื่อตรวจสอบความทนทานของ Arcing contact และ Arc chamber
2. Temperature rise test: ยืนยันว่า Arcing contact และ Arc chamber ไม่ร้อนเกินไประหว่างการทำงานปกติ
3. Endurance test: การทำงานทางกล 4,000-10,000 ครั้ง บวกกับการทำงานทางไฟฟ้าที่กำหนด ยืนยันอายุการใช้งานของ Contact
4. Dielectric test: การทดสอบแรงดันสูงยืนยันว่าฉนวนที่เสียหายจาก Arc ยังคงรักษาระยะห่างได้

Routine Testing (ทุกหน่วยการผลิต):

• Trip current verification
• การวัดความต้านทานการสัมผัส
• Visual inspection ของ Arcing contact และ Arc chutes
• Hi-pot dielectric testing

ระบบการจัดการคุณภาพของ VIOX (ได้รับการรับรอง ISO 9001:2015) กำหนดให้มีการสุ่มตัวอย่างและการทดสอบเป็นชุดตาม IEC 60947-2 Annex B โดยมีการตรวจสอบย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ตั้งแต่ส่วนประกอบ Arc chamber ไปจนถึงการประกอบขั้นสุดท้าย.

Selecting Circuit Breakers for Arc Performance and Application

การเลือกเซอร์กิตเบรกเกอร์ที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากพฤติกรรมของ Arc ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการตัดวงจรที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ตลอดอายุการใช้งานของการติดตั้ง ทำตามแนวทางที่เป็นระบบนี้:

Step 1: Determine Available Fault Current

คำนวณหรือวัด Prospective short-circuit current ณ จุดติดตั้งเบรกเกอร์ วิธีการ:

Calculation Method:

1. ขอค่า kVA และอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้าของการไฟฟ้า (โดยทั่วไปคือ 4-8%)
2. คำนวณกระแสลัดวงจรด้านทุติยภูมิของหม้อแปลง: I_fault = kVA / (√3 × V × Z%)
3. เพิ่มอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลจากหม้อแปลงไปยังตำแหน่งเบรกเกอร์
4. พิจารณาแหล่งจ่ายไฟขนาน (เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, ฟีดเดอร์อื่นๆ)

วิธีการวัด:

ใช้อุปกรณ์วิเคราะห์กระแสลัดวงจรหรือเครื่องทดสอบกระแสลัดวงจรที่คาดหวัง ณ จุดติดตั้ง (ต้องทดสอบโดยไม่มีกระแสไฟฟ้า หรือใช้อุปกรณ์เฉพาะสำหรับไฟฟ้าที่มีกระแส).

วิธีการข้อมูลจากการไฟฟ้า:

ขอข้อมูลกระแสลัดวงจรที่มีจากการไฟฟ้าสำหรับการเชื่อมต่อบริการ.

สำหรับการใช้งานทั่วไปของลูกค้า VIOX:

• ที่อยู่อาศัย: 10-22 kA โดยทั่วไป
• อาคารพาณิชย์: 25-42 kA โดยทั่วไป
• รองอุตสาหกรรมโรงงาน: 35-100 kA (สูงสุด 200 kA ใกล้หม้อแปลงขนาดใหญ่)

ขั้นตอนที่ 2: เลือกความสามารถในการตัดกระแสไฟฟ้าที่มีค่าเผื่อความปลอดภัย

เลือกพิกัด Icu/AIC ของเบรกเกอร์ ≥ 1.25 × กระแสลัดวงจรที่มี.

ตัวอย่าง: กระแสลัดวงจรที่มี = 38 kA → ระบุเบรกเกอร์ที่มีพิกัด ≥ 48 kA → MCCB ซีรีส์ VIOX VPM1 ที่มีพิกัด 50 kA เหมาะสม.

ขั้นตอนที่ 3: ประเมินพลังงานอาร์คและการจำกัดกระแสไฟฟ้า

สำหรับการป้องกันอุปกรณ์ที่ละเอียดอ่อน (อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, ไดรฟ์ปรับความถี่, ระบบควบคุม) ให้พิจารณา เบรกเกอร์จำกัดกระแสไฟฟ้า ที่ลดพลังงานที่ปล่อยออกมา:

ประสิทธิภาพการจำกัดกระแสไฟฟ้า: MCCB ซีรีส์ VIOX CLM ที่มีช่องดับอาร์คจำกัดกระแสไฟฟ้าสามารถทำได้:

• กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ปล่อยออกมา: 30-45% ของกระแสลัดวงจรที่คาดหวัง
• I²t ที่ปล่อยออกมา: 15-25% ของพลังงาน I²t ที่คาดหวัง
• การจำกัดเกิดขึ้นภายใน 2-5 มิลลิวินาทีแรก (น้อยกว่า 1/4 ไซเคิลที่ 60 Hz)

การลดพลังงานอย่างมากนี้ช่วยปกป้องสายเคเบิล บัสบาร์ และอุปกรณ์ปลายทางจากความเค้นทางความร้อนและทางกล.

ขั้นตอนที่ 4: พิจารณาความปลอดภัยจากอาร์คแฟลชและการเข้าถึง

ในสถานที่ที่คนงานต้องเข้าถึงอุปกรณ์ที่มีกระแสไฟฟ้า:

• ระบุเบรกเกอร์ที่มีตู้หุ้มทนต่ออาร์ค หรือกลไกการใส่/ถอดจากระยะไกล
• ใช้ชุดทริปอิเล็กทรอนิกส์ที่มีระบบอินเตอร์ล็อคแบบเลือกโซน (ZSI) เพื่อการตัดกระแสไฟฟ้าที่รวดเร็วยิ่งขึ้น
• พิจารณารีเลย์อาร์คแฟลชที่มีการตรวจจับด้วยแสงเพื่อการทริปที่รวดเร็วเป็นพิเศษ (2-5 มิลลิวินาที)
• ติดตั้งป้ายเตือนอาร์คแฟลชและกำหนดขั้นตอนความปลอดภัยตาม NFPA 70E

รุ่น VIOX ACB ที่มีกลไกแบบดึงออกช่วยให้สามารถถอดเบรกเกอร์ได้ในขณะที่ยังคงการจัดตำแหน่งและความปลอดภัยของห้องดับอาร์ค ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการบำรุงรักษาในระบบพลังงานสูง.

ขั้นตอนที่ 5: ระบุวัสดุสัมผัสอาร์คและช่วงเวลาการบำรุงรักษา

สำหรับการใช้งานหนัก (การสับสวิตช์บ่อยครั้ง สภาพแวดล้อมที่มีกระแสลัดวงจรสูง):

หน้าสัมผัสอาร์คที่ได้รับการปรับปรุง: ระบุองค์ประกอบทังสเตน-ทองแดงที่มีมวลเพิ่มขึ้น

ช่วงเวลาการตรวจสอบ: คำแนะนำของ VIOX ตามการใช้งาน:

รอบการทำงาน	การตรวจสอบต่อปี	อายุการใช้งานที่คาดหวังของหน้าสัมผัสอาร์ค
เบา (ที่อยู่อาศัย, สำนักงานพาณิชย์)	0 (มองเห็นด้วยตาเปล่าเท่านั้น)	20-30 ปี
ปานกลาง (ร้านค้าปลีก, อุตสาหกรรมเบา)	ทุก 3-5 ปี	10-20 ปี
หนัก (การผลิต, การสตาร์ทซ้ำๆ)	ทุกปีเดินตรง	5-10 ปี
รุนแรง (สวิตช์เกียร์หลัก, การสัมผัสกับกระแสลัดวงจรสูง)	ทุก 6 เดือน	2-5 ปี หรือหลังเกิดกระแสลัดวงจรครั้งใหญ่

ขั้นตอนที่ 6: ตรวจสอบการประสานงานและการเลือกปฏิบัติ

พล็อตเส้นโค้งเวลา-กระแสเพื่อให้แน่ใจว่ามีการประสานงานอาร์ค-ฟอลต์ที่เหมาะสม:

• เบรกเกอร์ต้นทางไม่ควรทริปก่อนเบรกเกอร์ปลายทางระหว่างเกิดฟอลต์
• ระยะขอบเวลาที่เพียงพอ (โดยทั่วไป 0.2-0.4 วินาที) ระหว่างเส้นโค้ง
• พิจารณาเวลาอาร์คของเบรกเกอร์และผลกระทบของการจำกัดกระแสไฟฟ้า

VIOX ให้ข้อมูล TCC (เส้นโค้งเวลา-กระแส) และซอฟต์แวร์การประสานงานเพื่ออำนวยความสะดวกในการวิเคราะห์การเลือกปฏิบัติ.

การบำรุงรักษา การตรวจสอบ และการแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอาร์ค

การบำรุงรักษาที่เหมาะสมช่วยยืดอายุการใช้งานของหน้าสัมผัสอาร์ค รักษาความสามารถในการตัดกระแสไฟฟ้า และป้องกันความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับอาร์ค.

การตรวจสอบหน้าสัมผัสอาร์คด้วยสายตา

ทำการตรวจสอบด้วยสายตาระหว่างการบำรุงรักษาตามกำหนด (เบรกเกอร์ไม่มีกระแสไฟฟ้าและถอดออก):

สิ่งที่ต้องมองหา:

1. การสึกกร่อนของหน้าสัมผัส: การสูญเสียวัสดุจากปลายหน้าสัมผัสอาร์ค ยอมรับได้หากวัสดุเดิมเหลืออยู่ <30%
2. รอยกัดกร่อนและหลุม: หลุมลึกบ่งบอกถึงการเกิดอาร์ครุนแรง เปลี่ยนหากความลึกของหลุม >2 มม.
3. การเปลี่ยนสี: การเกิดออกซิเดชันสีน้ำเงิน/ดำเป็นเรื่องปกติ คราบสีขาว/เทาบ่งบอกถึงความร้อนสูงเกินไป
4. การติดตามคาร์บอน: แนวคาร์บอนนำไฟฟ้าบนฉนวนจากพลาสมาอาร์ค—ทำความสะอาดหรือเปลี่ยนชิ้นส่วนที่ได้รับผลกระทบ
5. การบิดเบี้ยวหรือการหลอมละลาย: บ่งชี้ถึงพลังงานอาร์คที่มากเกินไปหรือการดับอาร์คล้มเหลว—เปลี่ยนเบรกเกอร์
6. ความเสียหายของช่องดับอาร์ค: แผ่นกั้นแตก, สิ่งกีดขวางหลอมละลาย หรือการสะสมของเขม่า—ทำความสะอาดหรือเปลี่ยนห้องดับอาร์ค

เครื่องมือตรวจสอบ VIOX: เกจวัดความหนาของหน้าสัมผัสและเทมเพลตจำกัดการสึกหรอมีให้สำหรับ MCCB/ACB ทุกรุ่นเพื่อวัดปริมาณการสึกกร่อน.

การวัดความต้านทานของหน้าสัมผัส

วัดความต้านทานข้ามแต่ละขั้วโดยใช้ไมโครโอห์มมิเตอร์ (โอห์มมิเตอร์ความต้านทานต่ำแบบดิจิทัล):

ค่าที่ยอมรับได้ (เบรกเกอร์ VIOX, ตามมาตรฐาน IEC 60947-2):

ขนาดเฟรมเบรกเกอร์	ความต้านทานหน้าสัมผัสใหม่	ค่าสูงสุดที่อนุญาต
MCB (6-63A)	0.5-2 mΩ	4 mΩ
MCCB (100-250A)	0.1-0.5 mΩ	1.5 mΩ
MCCB (400-800A)	0.05-0.2 mΩ	0.8 mΩ
MCCB (1000-1600A)	0.02-0.1 mΩ	0.4 mΩ
ACB (1600-3200A)	0.01-0.05 mΩ	0.2 mΩ

ความต้านทานหน้าสัมผัสที่เพิ่มขึ้นบ่งชี้:

• การสึกกร่อนของหน้าสัมผัสอาร์ค
• การปนเปื้อนหรือออกซิเดชันของหน้าสัมผัสหลัก
• แรงดันหน้าสัมผัสลดลง (สปริงสึก)
• การเยื้องแนว

หากความต้านทานเกินค่าสูงสุดที่อนุญาต ให้เปลี่ยนหน้าสัมผัสอาร์คหรือเบรกเกอร์ทั้งหมดขึ้นอยู่กับรุ่นและความสามารถในการซ่อม.

การแก้ไขปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอาร์ค

ปัญหา: เบรกเกอร์ทริปทันทีเมื่อปิดวงจรไปยังโหลด

• เหตุที่เป็นไปได้: การลัดวงจรดาวน์สตรีม (ตรวจสอบด้วยการทดสอบเมกโอห์มมิเตอร์), การตั้งค่าทริปทันทีต่ำเกินไป, หน้าสัมผัสอาร์คที่สึกหรอทำให้เกิดความต้านทานเริ่มต้นสูงและกระแสไหลเข้า
• ทางออก: แยกโหลดดาวน์สตรีม, ทดสอบความต่อเนื่องของวงจร, ตรวจสอบหน้าสัมผัสอาร์ค

ปัญหา: มองเห็นอาร์คได้ระหว่างการทำงานปกติ

• เหตุที่เป็นไปได้: หน้าสัมผัสหลักปิดไม่สนิท (หน้าสัมผัสอาร์คนำกระแสต่อเนื่อง), การเชื่อมต่อหลวมที่ขั้วต่อเบรกเกอร์, การปนเปื้อนของหน้าสัมผัสลดการนำไฟฟ้า, การเยื้องแนวทางกล
• ทางออก: ตัดกระแสไฟฟ้าและตรวจสอบทันที อาร์คระหว่างการทำงานปกติบ่งชี้ถึงความล้มเหลวที่ใกล้จะเกิดขึ้น—เปลี่ยนเบรกเกอร์.

ปัญหา: เบรกเกอร์ไม่สามารถขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

• เหตุที่เป็นไปได้: กระแสไฟฟ้าลัดวงจรเกินพิกัดการขัดขวาง (ไม่สามารถดับอาร์คได้), การสึกกร่อนของหน้าสัมผัสอาร์คอย่างรุนแรง, ความเสียหายหรือการอุดตันของห้องดับอาร์ค, การปนเปื้อนในช่องดับอาร์ค (อนุภาคโลหะลัดวงจรแผ่นกั้น)
• ทางออก: เปลี่ยนเบรกเกอร์ทันที ความล้มเหลวในการขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจรบ่งชี้ถึงอันตรายด้านความปลอดภัยร้ายแรง.

ปัญหา: กลิ่นไหม้หรือควันจากเบรกเกอร์ระหว่างการขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

• เหตุที่เป็นไปได้: ผลพลอยได้จากอาร์คปกติ (โอโซน, NOx) หากเกิดขึ้นหนึ่งครั้งระหว่างการเคลียร์กระแสไฟฟ้าลัดวงจร, ไพโรไลซิสของฉนวนอินทรีย์หากพลังงานอาร์คมากเกินไป, ความร้อนสูงเกินไปของส่วนประกอบภายใน
• ทางออก: หากเป็นเหตุการณ์เดียวระหว่างการเคลียร์กระแสไฟฟ้าลัดวงจร ให้ทำการตรวจสอบหลังการขัดขวางตามมาตรฐาน IEC 60947-2 (การมองเห็น, ความต้านทาน, ไดอิเล็กตริก) หากเกิดขึ้นซ้ำหรือระหว่างการทำงานปกติ ให้เปลี่ยนเบรกเกอร์.

เมื่อใดควรเปลี่ยนเบรกเกอร์หลังจากการสัมผัสกับอาร์ค

VIOX แนะนำให้เปลี่ยนเบรกเกอร์ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้:

1. การขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจร ≥80% ของ Icu ที่กำหนด: การขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจรครั้งเดียวใกล้ความจุทำให้เกิดการสึกกร่อนของหน้าสัมผัสอาร์คอย่างรุนแรง
2. การขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจรหลายครั้ง ≥50% Icu: ความเสียหายสะสมเกินอายุการใช้งานที่ออกแบบไว้
3. การสึกกร่อนของหน้าสัมผัสที่มองเห็นได้ >30%: วัสดุที่เหลือไม่เพียงพอสำหรับการขัดขวางกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในอนาคตที่เชื่อถือได้
4. ความต้านทานของหน้าสัมผัสเกินค่าสูงสุด: บ่งชี้ถึงเส้นทางกระแสไฟฟ้าที่เสื่อมสภาพ
5. ความเสียหายของห้องดับอาร์ค: แผ่นกั้นแตก, ส่วนประกอบหลอมละลาย
6. อายุ >20 ปีในการใช้งาน: แม้ไม่มีข้อผิดพลาด การเสื่อมสภาพของวัสดุส่งผลต่อการดับอาร์ค

ลูกค้าเชิงพาณิชย์/อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ของ VIOX นำไปปฏิบัติ รอบการเปลี่ยนทดแทน 25 ปี สำหรับ MCCB ที่มีความสำคัญ โดยไม่คำนึงถึงสภาพที่มองเห็น เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถตัดอาร์คได้อย่างน่าเชื่อถือเมื่อจำเป็น.

สรุป

อาร์คเป็นพลังทำลายล้าง แต่ด้วยหน้าสัมผัสอาร์คและระบบดับอาร์คที่ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยำ สามารถควบคุมได้ การทำความเข้าใจฟิสิกส์ของอาร์ค ตั้งแต่จุดแคโทดไปจนถึงพลศาสตร์ของพลาสมา ช่วยให้วิศวกรสามารถเลือกอุปกรณ์ป้องกันที่เหมาะสมและบำรุงรักษาเพื่อความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ VIOX Electric ยังคงพัฒนาเทคโนโลยีการควบคุมอาร์คอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้มั่นใจว่าเบรกเกอร์ของเราให้การปกป้องที่เหนือกว่าสำหรับโครงสร้างพื้นฐานทางไฟฟ้าที่สำคัญของคุณ.