מפסק זרם

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש

מפסק חשמלי הוא מתג חשמלי המופעל באופן אוטומטי שנועד להגן על מעגל חשמלי מפני נזק הנגרם על ידי זרם יתר, בדרך כלל כתוצאה מעומס יתר או קצר. הפונקציה הבסיסית שלו היא להפריע לזרימה הנוכחית לאחר זיהוי תקלה. בניגוד לנתיך, הפועל פעם אחת ולאחר מכן חייב להיות מוחלף, מפסק חשמלי ניתן לאפס (ידנית או אוטומטית) כדי לחדש את הפעולה הרגילה.

מפסקי המעגל מיוצרים בגדלים שונים, ממכשירים קטנים המגנים על מעגלים קצרים או על מכשירים ביתיים בודדים, עד למתגים גדולים שנועדו להגן על מעגלים במתח גבוה המזינים עיר שלמה.

הפונקציה הגנרית של מפסק חשמלי, מכשיר זרם שיורי (RCD) או נתיך, כאמצעי אוטומטי להסרת חשמל ממערכת פגומה, מקוצר לעיתים קרובות כ- (OCPD (Over Current Protection Device .

מקורות[עריכת קוד מקור | עריכה]

צורה מוקדמת של מפסק חשמלי תוארה על ידי תומאס אדיסון בפטנט משנת 1879, אם כי מערכת ההפצה המסחרית שלו השתמשה בנתיכים.[1] מטרתו הייתה להגן על חיווט מעגל התאורה ממעגלים קצרים מקריים ועומס יתר. מפריד מיניאטורי מודרני, הדומה לאלה שנמצאים כעת בשימוש, נחתם על ידי בראון, בוורי וסיי בשנת 1924. הוגו סטוץ, מהנדס שמכר את חברתו ל- BBC, מוכר כממציא ב DRP (Deutsches Reichspatent) 458392.[2] ההמצאה של סטוץ הייתה מבשר של מפריד מגנטי תרמי מודרני והוא נפוץ במרכזי עומס הבית עד עצם היום הזה.

חיבור של מספר מקורות גנרטור לרשת חשמל דרש פיתוח של מפסקי זרם עם דירוגי מתח מוגברים ויכולת מוגברת להפריע בבטחה לזרמים וליצור קצר במעגל המיוצר על ידי רשתות. מתגים ידניים פשוטים של הפסקות אוויר ייצרו arc מסוכנות בעת הפרעה למתח גבוה; אלה פינו את מקומם למגעים סגורים בשמן, וצורות שונות תוך שימוש בזרימה מכוונת של אוויר דחוס, או בשמן בלחץ, כדי להתקרר ולקטוע את הarc. ב -1935, שברי המעגל שנבנו במיוחד בשימוש בפרויקט סכר בולדר השתמשו בשמונה מעברי סדרה ובזרימת שמן בלחץ כדי להפריע לליקויים של עד 2,500 MVA, בשלושה מחזורים של תדר AC.[3]

ביצוע[עריכת קוד מקור | עריכה]

לכל מערכות מפסק הזרם יש תכונות שכיחות בפעולתן, אך הפרטים משתנים במידה ניכרת בהתאם למעמד המתח, לדירוג הנוכחי ולסוג המפסק.

המפסק חייב לזהות תחילה תקלה. בצינורות קטנים ומפסקי מתח נמוך, זה נעשה בדרך כלל בתוך המכשיר עצמו. בדרך כלל, החימום או ההשפעות המגנטיות של זרם חשמלי מועסקים. מפסקי זרם עבור זרמים גדולים או מתחים גבוהים מסודרים בדרך כלל עם ממסר מגן כדי לחוש מצב תקלות ולהפעיל את מנגנון הפתיחה. אלה בדרך כלל דורשים מקור חשמל נפרד, כגון סוללה, אם כי כמה מפסקי זרם גבוה במתח הם עצמאיים עם שנאים, ממסר מגן, ומקור כוח הבקרה הפנימית.

לאחר איתור תקלות, המגעים של מפסק המעגל חייבים להיפתח כדי להפריע למעגל; זה נעשה בדרך כלל באמצעות אנרגיה מאוחסנת מכנית הכלול בתוך מפסק, כגון קפיץ או אוויר דחוס להפריד את המגעים. מפסקי מעגל עשויים גם להשתמש בזרם גבוה יותר הנגרם על ידי התקלה כדי להפריד בין המגעים, כגון הרחבה תרמית או שדה מגנטי. מפסקים קטנים בדרך כלל יש מנוף ידני ידני כדי לכבות את העומס או לאפס מפסק מעוך, בעוד יחידות גדולות יותר משתמשות בסולנואידים כדי לכייל את המנגנון, ובמנועים חשמליים כדי להחזיר את האנרגיה למעיינות.

מפסק המפרקים חייב לשאת את זרם העומס ללא חימום מוגזם, ועליו לעמוד גם בחום של הקיבולת המיוצרת כאשר מפסיקים (פתיחה) את המעגל. מגעים עשויים נחושת או סגסוגות נחושת, סגסוגות כסף וחומרים מוליכים אחרים. חיי השירות של המגעים מוגבלים על ידי שחיקה של חומר מגע עקב arcing תוך הפרעה הנוכחי. מיניאטורים ומפצלי מעגל מודפסים בדרך כלל נמחקים כאשר המגעים משוחקים, אך מפסקי זרם חשמליים ומפסקות מעגל מתח גבוה יש אנשי קשר הניתנים להחלפה.

כאשר זרם גבוה או מתח מופרע, נוצר arc. אורך arc הוא בדרך כלל יחסי למתח בעוד העוצמה (או החום) פרופורציונלית לזרם. זה arc חייב להיות הכלול, מקורר וכבה באופן מבוקר, כך הפער בין המגעים יכול שוב לעמוד במתח במעגל. מפסקים שונים במעגל להשתמש ואקום, אוויר, בידוד גז, או שמן כמו המדיום arc צורות פנימה טכניקות שונות משמשות כדי לכבות את הarc כולל:

  • הארכה או הסטה של ​​הarc
  • קירור אינטנסיבי (בתאי סילון)
  • חלוקה לarc חלקיות
  • ריכוז נקודות אפס (אנשי קשר פתוחים במעבר הזמן הנוכחי של אפס של צורת הגל AC, ביעילות לשבור שום עומס בזמן הפתיחה. מעבר אפס מתרחשת בתדירות הקו פעמיים, כלומר 100 פעמים בשנייה עבור 50 הרץ ו- 120 פעמים לשנייה עבור 60 הרץ AC).
  • חיבור קבלים במקביל לאנשי קשר במעגלי DC.

לבסוף, לאחר תיקון מצב השבר, יש לסגור שוב את המגעים כדי להחזיר את החשמל למעגל שנקטע.

הפרעת Arc[עריכת קוד מקור | עריכה]

מפסקים מעגלים זעירים במתח נמוך (MCB) משתמשים באוויר לבדו כדי לכבות את ה-arc. אלה מפסקי זרם מכילים הנקראים arc chutes, ערימה של לוחות מתכת מקבילים מבודדים הדדית אשר מחלקים מגניב arc. על ידי פיצול שרב לתוך arcs קטנים יותר בזמן שהarc מקורר למטה בזמן מתח arc הוא גדל ומשמש עכבה נוספת אשר מגביל את הנוכחי דרך מפסק. החלקים הנמצאים כעת בקרבת המגעים מספקים סטייה קלה של הarc לתוך מצנחי ה-arc על ידי כוח מגנטי של נתיב נוכחי, אם כי סלילי הנשמה מגנטיים או מגנטים קבועים יכולים גם להסיט את הarc לarc chutes (בשימוש על מפסקים במעגל עבור גבוה יותר דירוגים). לכן מספר הצלחות ב- arc chutesv תלוי במעגל הקצר ובמתח הנומינלי של המפסק.

בדירוגים גדולים יותר, מפסקי זרם שמן מסתמכים על אידוי של חלק מהשמן כדי לפוצץ סילון של שמן דרך הarc.[4]

משתמשים בגז (בדרך כלל גופרית שש פלואורידית) לפעמים על מנת למתוח את ה-arc באמצעות שדה מגנטי, ולאחר מכן להסתמך על כוח דיאלקטרי של גופרית שש פלואורידית (SF6) כדי לשאיר (להרוות) את ה-arc מתוח.

בואקום יש arcing מינימלי (אין דבר כדי ליינן מלבד חומר מגע). Arc מרווה כאשר הוא נמתח בכמות קטנה מאוד (פחות מ 2–3 מ"מ (0.079-0.118 ב)). מפסקי ואקום משמשים לעיתים קרובות מפסקים מודרניים עם מתח בינוני של 38,000 וולט.

מפסקי אוויר יכולים להשתמש באוויר דחוס כדי לפוצץ את ה-arc, או לחלופין, המגעים מתנדנדים במהירות לתוך תא אטום קטן, בריחה של אוויר לא מתאפשרת ובכך ה-arc מושבת.

מפסקי מעגל הם בדרך כלל יכולים לסיים את כל הזרם מהר מאוד: בדרך כלל arc הוא כבה בין 30 MS ו- 150 ms לאחר המנגנון כבר מעד, בהתאם לגיל הבנייה של המכשיר. הערך המקסימלי המרבי ואנרגיה המאפשרים לקבוע את איכות מפסקי החשמל.

סוגים של מפסקי זרם[עריכת קוד מקור | עריכה]

ישנם סוגים רבים של מפסקי זרם, בהתבסס על התכונות שלהם כגון בכיתה מתח, סוג הבנייה, סוג ההפרעה, ותכונות מבניות. מפסקי הזרם הנפוצים ביותר הם:

מפסקי זרם במתח נמוך[עריכת קוד מקור | עריכה]

מתח נמוך (פחות מ -1,000 VAC) סוגים נפוצים ביישומים מקומיים, מסחריים ותעשייתיים, וכוללים:

מפסק מעגל מיניאטורי (MCB) זרם לא יותר מ 100- .א מאפייני הנסיעה בדרך כלל אינם ניתנים לשינוי. פעולה תרמית או תרמית מגנטית. ברייקרס מאויר לעיל הם בקטגוריה זו. מעגל מחולל מארז מעוצב (MCCB) - זרם עד 2,500 א. פעולה תרמית או תרמית מגנטית. ניתן לשנות את זרם הנסיעה בדירוגים גדולים יותר. ניתן להרכיב פורעי מעגל מתח נמוך בשכבות מרובות במתגים מתח נמוך או בארונות מיתוג. המאפיינים של מפסקי זרם במתח נמוך ניתנים על ידי תקנים בינלאומיים כגון חברת החשמל 947. מפסקים אלו מותקנים לעיתים קרובות במארזי יציאה המאפשרים הסרה ומחלף ללא פירוק המתג.

מארז גדול בעל מתח נמוך ומפצלי מעגל כוח עשויים להיות מפעילי מנוע חשמלי על מנת שיוכלו לפתוח ולסגור תחת שלט רחוק. אלה עשויים להוות חלק ממערכת העברה אוטומטית למעבר למצב המתנה.

מפסקים מעגלים במתח נמוך מיוצרים גם ליישומים של זרם ישר (DC), כגון DC עבור קווי הרכבת התחתית. זרם ישיר דורש מפסקים מיוחדים כי arc הוא רציף - בניגוד arc AC, אשר נוטה לצאת על כל מחצית המחזור. מפסק זרם חשמלי ישיר יש סלילי מכה אשר מייצרים שדה מגנטי המתרחב במהירות בarc. מפסקי זרם קטנים מותקנים ישירות בציוד, או מסודרים בחלונית מפסק. דיין רכוב- Thermed מגנטי מעגל מיניאטורי מגנטי הוא הסגנון הנפוץ ביותר ביחידות הצרכן המקומי המודרני מסחרי הפצה לוחות חשמל ברחבי אירופה. העיצוב כולל את המרכיבים הבאים:

  • מנוף actuator - משמש לנסיעה ידנית ולאפס את המפסק. כמו כן מציין את המצב של מפסק זרם (מופעל או כבוי / מעד). רוב breakers מתוכננים כך שהם יכולים עדיין לנסוע גם אם מנוף מוחזק או נעול במצב "on". זה נקרא לפעמים "טריפ חינם" או "טריפ חיובי" המבצע.
  • מנגנון מפעיל - מאלץ את המגעים יחד או בנפרד.
  • אנשי קשר - לאפשר הנוכחי בעת נגיעה ולשבור את הנוכחי כאשר זז בנפרד.

מסופים

  • רצועה בימטלית - מפריד בין אנשי הקשר בתגובה זרמים קטנים יותר, לטווח ארוך
  • בולם כיול - מאפשר ליצרן להתאים בדיוק את זרם הנסיעה של המכשיר לאחר ההרכבה.
  • סולנואיד - מפריד את הקשר במהירות בתגובה זרמים גבוהים
  • arc מחלף / מטף

מפסקי זרם מגנטיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מפסקי זרם מגנטיים משתמשים בסולנואיד (אלקטרומגנט) שכוח המשיכה שלו עולה עם הזרם. עיצובים מסוימים לנצל כוחות אלקטרומגנטיים בנוסף לאלה של סולנואיד. המגעים של מפסק המעגל מוחזקים סגורים על ידי תפס. כמו הנוכחי של סולנואיד עולה על הדירוג של מפסק חשמלי, למשוך את הסולנואידים משחרר את הבריח, המאפשר את הקשר נפתח על ידי האביב פעולה.[5]

מפסקי זרם מגנטיים תרמיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מפסקי זרם מגנטיים תרמיים, שהם הסוג הנמצא ברוב לוחות ההפצה, משלבים את שתי הטכניקות עם האלקטרומגנט המגיב באופן מיידי לעליות גדולות במעגלים הקצרים (הנוכחית) וברצועה הבימטלית המגיבה לתנאים קיצוניים אך ארוכי טווח יותר. החלק התרמי של מפסק המעגל מספק תכונת תגובה בזמן, המסיעה את מפסק המעגל מוקדם יותר עבור זרמים גדולים יותר, אך מאפשרת עומסים קטנים יותר להתמיד במשך זמן רב יותר. זה מאפשר קוצים הנוכחי קצר כגון מיוצרים כאשר המנוע או לטעון שאינם התנגדות אחרת מופעלת. עם זרמי יתר גדולים מאוד במהלך קצר, האלמנט המגנטי מטייל את מפסק החשמל ללא עיכוב מכוון נוסף.[5]

מפסקי זרם הידראולים מגנטיים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מפסק זרם מגנטי-הידראולי משתמש בסליל סולנואיד כדי לספק כוח תפעולי לפתיחת המגעים. מגנטים הידראוליים מגנטיים משלבים תכונת עיכוב זמן הידראולי באמצעות נוזל צמיג. מעיין מגביל את הליבה עד הנוכחי עולה על דירוג מפסק. במהלך עומס יתר, המהירות של תנועת הסולנואידים מוגבלת על ידי הנוזל. העיכוב מתיר את הזרמים הקצרים הנוכחיים מעבר לזרם הריצה הרגיל להפעלת המנוע, ציוד הממריץ וכו '. זרמים קצר מעגל מספקים כוח סולנואיד מספיק כדי לשחרר את הבריח ללא תלות במיקום הליבה ובכך לעקוף את התכונה עיכוב. טמפרטורת הסביבה משפיעה על זמן העיכוב אך אינה משפיעה על הדירוג הנוכחי של מפסק מגנטי.[6]

מפסקי זרם חשמליים גדולים, המיושמים במעגלים של יותר מ 1000 וולט, עשויים לכלול רכיבים הידראוליים במנגנון ההפעלה של המגע. אנרגיה הידראולית עשויה להיות מסופקת על ידי משאבה, או מאוחסנים מצברים. אלה יוצרים סוג נפרד ממפצלי מעגל מלאים בשמן, בהם השמן הוא המדיום לכיבוי arc.[7]

מפסקי טריפ נפוצים[עריכת קוד מקור | עריכה]

כאשר מספקים מעגל סניף עם יותר מוליך אחד לחיות, כל מוליך לחיות חייב להיות מוגן על ידי מוט שובר. כדי להבטיח כי כל מוליכים חיים מופרעים כאשר כל נסיעה מוט, יש להשתמש "מפסק משותף" מפסק. אלה עשויים להכיל שניים או שלושה מנגנוני מעידה בתוך מקרה אחד, או עבור פורעי קטן, עשוי לקשור את הקוטבים החיצוניים באמצעות ידיות ההפעלה שלהם. שתי מוטות נסיעה נפוצים נפוצים במערכות של 120/240 וולט, שבהם 240 עומסי וולט (כולל מכשירי חשמל גדולים או לוחות הפצה נוספים) מתפרשים על פני שני חוטים חיים. שלושה מטרים נפוצים הנסיעה בדרך כלל משמשים לספק שלושה פאזה חשמל למנועים גדולים או לוחות הפצה נוספת.

שני פורצים שתיים ו - 4 מוטות משמשים כאשר יש צורך לנתק AC בשלב מרובים, או לנתק את חוט נייטרלי כדי להבטיח כי אין זרם זורם דרך חוט נייטרלי מן עומסים אחרים המחוברים לאותה רשת כאשר העובדים יכולים לגעת החוטים במהלך התחזוקה. אין להפריד בין מפרידי מעגלים נפרדים לבין חי ונייטרליים, שכן אם הנייטרלי מנותק בזמן שהמוליך החי נשאר מחובר, מתעורר מצב מסוכן: המעגל נראה דה-אנרגטי (מכשירי חשמל אינם פועלים), אך החוטים נשארים חיים וחלקם התקנים שיורית-עכשווית (RCDs) אינם יכולים לנסוע אם מישהו נוגע בחוט החי (מכיוון שכמה RCDs זקוקים לכוח נסיעה). זו הסיבה מדוע פורעי נסיעה נפוצים יש להשתמש רק כאשר יש צורך בהחלפת חוט נייטרלי.

מפבקי זרם גבוה על בסיס פחמן דו-חמצני (CO2)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשנת 2012 הציג ABB 75 קילו וולט מתח גבוה המשתמשת פחמן דו-חמצני כמדיום כדי לכבות את arc. דו תחמוצת הפחמן עובד על אותם עקרונות כמו מפריד SF6 והוא יכול להיות גם מיוצר כמו מפסק מעגל מנותק. על ידי המעבר מ SF6 ל CO2 ניתן להפחית את פליטת CO2 על ידי 10 טון במהלך מחזור החיים של המוצר.[8]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא מפסק זרם בוויקישיתוף

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Robert Friedel and Paul Israel, Edison's Electric Light: Biography of an Invention, Rutgers University Press, New Brunswick New Jersey USA,1986 ISBN 0-8135-1118-6 pp.65-66
  2. ^ ""1920-1929 Stotz miniature circuit breaker and domestic appliances", ABB, 2006-01-09, accessed 4 July 2011". >
  3. ^ Flurscheim, Charles H., ed. (1982). "Chapter 1". Power Circuit Breaker Theory and Design (מהדורה Second). IET. ISBN 0-906048-70-2. 
  4. ^ Weedy,, B. M. (1972). Electric Power Systems (מהדורה Second). London: John Wiley and Sons. עמ' 428–430. ISBN 0-471-92445-8. 
  5. ^ 5.0 5.1 John Matthews Introduction to the Design and Analysis of Building Electrical Systems Springer 1993 0442008740 page 86
  6. ^ Hwaiyu Geng, Data Center Handbook, John Wiley & Sons,2014 page 542
  7. ^ G R Jones (ed), Electrical Engineer's Reference Book, Butterworth - Heinemann Ltd, 1993, page 25/14
  8. ^ "Switzerland: ABB breaks new ground with environment friendly high-voltage circuit breaker.". בדיקה אחרונה ב-7 ביוני 2013.