فوهة فراغية TD12-40.5/1250A أنبوب فراغي 35 كيلوفولت

مكعبات فراغية تستخدم في ZN12 و ZW7 و ZN23، وتُسمى أيضًا أنابيب مفاركة فراغية، وهي المكونات الأساسية لأجهزة التبديل الكهربائية المتوسطة والمرتفعة الجهد. وظيفتها الرئيسية هي تنفيذ فتح وإغلاق الدارة الكهربائية باستخدام وسيط عالي العزل في بيئة الفراغ، وإطفاء القوس الكهربائي بسرعة عندما يمر التيار عند الصفر، مما يسمى بقطع الخطوط الكهربائية بأمان وموثوقية.

أولاً: البنية الأساسية والمكونات

مكعب الفراغ هو جهاز إلكتروني فراغي مختوم، وتتكون بنيته النموذجية بشكل أساسي من الأنظمة التالية:

غلاف عازل محكم: عادةً مصنوع من الزجاج أو السيراميك، ويستخدم للحفاظ على حالة الفراغ العالي داخل المكبوب (عادةً تتراوح درجة الفراغ تحت 10 باسكال)، وتوفر العزل الرئيسي.

نظام التوصيل الكهربائي: يتكون من قضيب توصيل ثابت، ملامح ثابتة، ملامح متحركة، وقضيب توصيل متحرك إلخ. يتم ربط الملامح المتحركة بالمحرك المحرك الخارجي عبر القضيب المتحرك لتنفيذ عمليات الفصل والاندماج.

نظام الملامح: هو الجزء الرئيسي الذي يولد ويطفى القوس الكهربائي. عادةً ما تستخدم مواد ملامح مكعب الفراغ المستخدمة في المفاركات الكهربائية سبائك النحاس والكروم (حيث يشكل النحاس والكروم كلاهما حوالي 50% من المادة)، وتتميز هذه المادة بقدرة عالية على الفصل، ومقاومة عالية للتآكل الكهربائي، وخاصية جيدة ضد اللحام الذائب. كانت بنية الملامح في الأصل أسطوانية بسيطة، أما اليوم فتستخدم بشكل عام بنية أكواب المجال المغناطيسي الطولي لتحسين قدرة الفصل على التيارات الكبيرة.

نظام الحاجز: يتكون بشكل أساسي من غطاء الحاجز (البرج) المحيط بالملامح. وتتأثر وظيفته بما يلي: منع تبخر المعادلات الناتجة عن احتراق القوس من تلويث الجدران الداخلية لغلاف العزل؛ تحسين توزيع المجال الكهربائي داخل مكعب الفراغ؛ وامتصاص جزء من طاقة القوس، مما يساعد على تكثيف المنتجات الناتجة عن القوس، وبالتالي زيادة سعة الفصل

أنبوب مرن: عنصر مرن رقيق الجدران مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، ملحوم بين القضيب المتحرك والغلاف. وظيفته الأساسية هي الحفاظ على الختم الفراغي داخل مكعب الفراغ، مع السماح للملامح المتحركة بالحركة المستقيمة أثناء عمليات الفصل والاندماج، وهي المكون الرئيسي لتحقيق عمر ميكانيكي عالي.

ثانياً: المبدأ التشغيلي

يعتمد مبدأ تشغيل مكعب الفراغ على أداء العزل وإطفاء القوس الممتاز لوسيط الفراغ العالي:

إغلاق الدارة الكهربائية: يدفع المحرك المحرك القضيب المتحرك، ليجعل الملامح المتحركة والثابتة تتلامس، ويتم توصيل الدارة.

تولد القوس الكهربائي: عندما تنفصل الملامح المشحونة، يتقلص نقطة التلامس بسرعة، ويزداد كثافة التيار بشكل كبير، مما يجعل المواد المعدنية تذوب وتتبخر إلى بخار معدني. تحت تأثير المجال الكهربائي القوي، يتأين بخار المعدل، مكونًا قوسًا فراغيًا.

إطفاء القوس الكهربائي: يُحافظ القوس الفراغي على وجوده بخار المعدل الذي تبخرته مواد الملامح. عندما يمر التيار المتردد عند الصفر بشكل طبيعي، يطفى القوس مؤقتًا، وتنتشر جزيئات بخار المعدل بسرعة وتتكثف على غطاء الحاجز. وفي الوقت نفسه، يزداد المسافة بين الملامح، ويتعزز قوة العزل في الفجوة بسرعة، مما يمنع إعادة اشتعال القوس ويقسم الدارة بشكل نهائي.

ثالثاً: الميزات والفوائد الرئيسية

تتميز تقنية مكعبات الفراغ بالمزايا التالية الواضحة:

آمنة وبيئية: تستخدم الفراغ كوسيط لإطفاء القوس، ولا توجد مخاطر حريق أو انفجار، ولا تنتج غازات سامة ضارة، ولا تسبب تلوث أثناء التشغيل.

أداء ممتاز: سرعة إطفاء القوس سريعة، وقدرة فصل قوية، وعمر كهربائي وميكانيكي طويل.

سهلة الصيانة: حجم صغير، وزن خفيف، بنية مدمجة، وتحتاج إلى صيانة أساسية قليلة، وموثوقية التشغيل عالية.

توفير الطاقة والمواد: استهلاك طاقة منخفض، وتحتاج إلى طاقة تشغيل صغيرة، واستهلاك المواد قليل.

رابعاً: مجالات التطبيق

تستخدم مكعبات الفراغ كجزء أساسي على نطاق واسع في المجالات التالية:

نظام الطاقة الكهربائية: تستخدم بشكل أساسي في المفاركات الفراغية لمحطات التحويل والمنشآت للشبكة الكهربائية، ومفاتيح الحمل الفراغية لمستخدمي نهاية الشبكة الكهربائية، وتغطي درجات الجهد 10 كيلوفولت و 35 كيلوفولت وحتى درجات جهد أعلى.

المجال الصناعي: تستخدم على نطاق واسع في أنظمة التوزيع الكهربائية وأجهزة تحكم المحركات في الصناعات مثل التعدين والمعادن والبترول والكيمياء والقطار إلخ.