ساختار داخلی کلید قطع کننده خلا

بریکر یا مدارشکن تجهیزی است که، مدارهای الکتریکی را در برابر جریان‌های نا خواسته ای که در اثر اتصال کوتاه ناشی از اضافه بار بوجود می‌آید، محافظت می‌کند. عملکرد اصلی این تجهیز، قطع جریان، هنگام تشخیص خطا می‌باشد. کلید خلا (vacuum circuit breaker) نوعی از بریکرها می‌باشد، که قوس الکتریکی را در محفظه خلا خاموش می‌کند. عملیات فعال کردن و بستن کنتاکت های حامل جریان و قطع و خاموش کردن آرک در یک محفظه خلا صورت می‌گیرد، که به آن کلید خلا می‌گویند.

تکنولوژی کلید خلا برای اولین بار در سال 1960 معرفی شد و هنوز هم این تکنولوژی در حال توسعه و پیشرفت می‌باشد. با گذشت زمان و با توجه به گسترش تکنولوژی‌های مختلف مهندسی، اندازه کلید خلا نسبت به اندازه آنها در سال 1960، کوچکتر شده است.

ساختار کلید خلا

کلید خلا شامل یک محفظه استیل مخصوص آرک، در مرکز عایق‌های سرامیکی می‌باشد. فشار خلا در کلید خلا به طور معمول زیر  bar 10-6 نگه داشته می‌شود.

مواد استفاده شده برای کنتاکت های حامل جریان نقش اساسی در عملکرد مدار شکن خلا ایفا می‌کند. آلیاژ مس (مس بیسموت یا مس- کروم) ایده آل ترین مواد برای تولید کنتاکت های مدارشکن خلا (VCB) است.

مطابق شکل بالا، کلید خلا دارای یک کنتاکت ثابت، یک کنتاکت متحرک و یک کلید خلا می‌باشد. کنتاکت متحرک توسط فولاد ضد زنگ، که در زیر آن قرار دارد به یک دستگاه کنترلی متصل شده است. با توجه به آب بندی محفظه خلا و استفاده از یک مخزن شیشه ای یا مخزن سرامیکی به عنوان عایق خارجی، احتمال نشت از بین می‌رود.

نحوه عملکرد کلید خلا

شکل زیر قسمتهای مختلف یک کلید خلا، زمانی که کنتاکت ها به علت شرایط غیر عادی، وقوع آرک بین کنتاکت ها، تولید آرک در اثر یونیزه شدن یونهای فلز با توجه به مواد سازنده کنتاکت ها، از هم جدا شده اند را نشان می‌دهد.

قسمت‌های مختلف کلید خلا

خاموش سازی آرک در کلید خلا، متفاوت تر از بریکرهای دیگر می‌باشد. جدا شدن کنتاکت ها باعث آزاد شدن بخار می‌شود که  فضای کنتاکت را پر کرده اند و شامل یون‌های مثبت آزاد شده توسط مواد سازنده کنتاکت ها می‌باشد. میزان بخار آزاد شده به جریان آرک بستگی دارد. زمانی که جریان کاهش می‌یابد، میزان بخار آزاد شده کم می‌شود و زمانی که جریان به صفر می‌رسد، اگر چگالی بخار کاهش یابد، خاصیت دی الکتریک خود را دوباره باز می‌یابد.

زمانی که جریان داخل محفظه که می‌خواهد قطع شود بسیار کوچک باشد، قوس الکتریکی در چند مسیر موازی قرار می‌گیرد. جریان کل به چندین آرک موازی تقسیم می‌شود که همدیگر را دفع می‌کنند و در سطح کنتاکت پخش می‌شوند. به این عمل، آرک انتشار یافته می‌گویند که به راحتی می‌تواند قطع شود. در جریان‌های بسیار زیاد، آرک در یک ناحیه کوچک متمرکز می‌شود؛ دلیل این اتفاق بخارشدن سریع سطح کنتاکت می‌باشد. موقعی که قوس در حالت انتشار باقی بماند، قطع قوس الکتریکی ممکن می‌شود. اگر این قوس الکتریکی توسط سطح کنتاکت سریعا حذف گردد، آرک دوباره فعال می‌شود.

خاموش سازی آرک در کلید خلا، شدیدا تحت تاثیر مواد سازنده و شکل کنتاکتها و تکنیک‌های در نظر گرفته شده برای بخار مواد می‌باشد. به دلیل اینکه آرک در مسیرهای متفاوتی  پخش می‌شود بنابراین دمای کلید بالا نمی‌رود.

بعد از خاموش سازی آخرین آرک، سریعا قدرت دی الکتریک دوباره بازمی‌گردد، که مختص بریکرهای خلا می‌باشد. این کلیدها برای کلیدزنی خازنی، که درعملکردشان دوباره آرک رخ نمی‌دهد، مناسب می‌باشند. جریان کم، قبل از صفر شده جریان الکتریکی قطع می‌شود، که ممکن است باعث خرد شدن شود و سطح آن بستگی به مواد سازنده کنتاکت دارد.

به عبارت دیگر، در جریان صفر قوس الکتریکی خلا خاموش می‌شود و رسانش الکتریکی بخار فلز در سطح کانتکت تغلیظ می‌شود. در این مرحله، کانتکت ها از هم جدا هستند از این رو هیچ سوالی برای تبخیر دوباره سطح کانتکت برای چرخه جریان بعدی وجود ندارد. این بدان معنی است که قوس الکتریکی را نمی‌توان دوباره برقرار کرد. از این رو مدارشکن خلا مانع از برقراری دوباره قوس الکتریکی با تولید قدرت دی الکتریک بالا در شکاف کانتکت بعد از جریان صفر می‌شود.

دو نوع شکل قوس الکتریکی وجود دارد. برای قطع شدن جریان تا 10KA، قوس الکتریکی روشن می‌ماند و فرم تخلیه بخار کل سطح کانتکت را پوشش می‌دهد. بالاتر از 10KA قوس الکتریکی روشن، به طور قابل توجهی با میدان مغناطیسی خود منقبض می‌شود. پدیده مافوق حرارت (over heating) در مرکز کانتکت افزایش پیدا می‌کند. به منظور جلوگیری از این پدیده، طراحی کانتکت باید به گونه ای باشد که قوس الکتریکی ثابت باقی نماند ولی حرکت با میدان مغناطیسی خود را ادامه دهد. به ویژه طراحی شکل کانتکت مدارشکن خلا، حرکت قوس الکتریکی در امتداد سطح کانتکت ها را ثابت نگه می‌دارد. در نتیجه باعث حداقل و یکسان شدن فرسایش کانتکت می‌شود.

مزایای کلید خلا (VCB)

• خلا به دلیل داشتن قدرت عایقی بسیار زیاد، نسبت به دیگر موارد خاصیت بسیار قوی در خاموش سازی آرک دارد.
• کلید خلا دارای عمر بالا می‌باشد.
• برخلاف بریکر روغنی (OCB) یا بریکر هوایی (ABCB)، انفجار کلید خلا (VCB) اجتناب ناپذیر است. این کار باعث افزایش ایمنی پرسنل می‌شود.
• بدون خطر آتش سوزی
• بریکر خلا دارای سرعت عمل بالا بوده بنابراین برای پاکسازی خطا ایده آل می‌باشد. VCB برای عملیات مکرر مناسب می‌باشد.
• بدون نیاز به نگهداری
• بدون انتشار گاز به هوا و دارای عملکرد بی صدا

معایب کلید خلا (VCB)

• ایراد اصلی VCB در ولتاژهای بیش از 38 کیلوولت مقرون به صرفه نمی‌باشد.
• هزینه بریکرها در ولتاژهای بالا افزایش می‌یابد، به این دلیل که در ولتاژهای بالا (بالای 38KV)، به دو عدد بریکر نیاز است که با هم سری شوند.- علاوه بر این، تولید VCB ها در اندازه‌های کوچک، غیر اقتصادی است.

کاربردهای بریکر خلا

امروزه کیلد خلا، به عنوان قابل اطمینان ترین تکنولوژی قطع جریان برای سوئیچگیرهای ولتاژ متوسط شناخته شده است. این کلید نسبت به تکنولوژی کلیدهای قطع کننده دیگر، به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارد.

این تکنولوژی عمدتا مناسب برای کاربردهای ولتاژ متوسط می‌باشد. تکنولوژی خلا برای استفاده در ولتاژهای بالا توسعه یافته، ولی از لحاظ تجاری امکان پذیر نمی‌باشد. کلید خلا، در سوئیچگیر دارای پوشش فلزی و همچنین بریکرهای دارای پوشش چینی (porcelain)  مورد استفاده قرار می‌گیرد.