Въздушни циркулаторни прекъсвачи: Функциониране, предимства и видове

Въздушният циркулаторен прекъсвач използва компресиран въздух или газ като средство за прекъсване на дъгата. Компресираният въздух се съхранява в резервоар и, когато е необходимо, се изпуска през насадка, за да се генерира високоскоростен струя. Тази струя играе ключова роля в изгасването на дъгата, която се формира, когато прекъсвачът прекъсва електрическия ток.

Въздушните циркулаторни прекъсвачи са често използвани за вътрешни приложения в средно-високото напрежение с умерени разрушаващи способности. Обикновено те са подходящи за напрежения до 15 кV и разрушаващи способности от 2500 MVA. Освен това те се използват и във високонапрегнати външни разпределителни устройства за линии от 220 кV.

Макар различни газове като въглероден диоксид, азот, фреон или водород да могат потенциално да служат като средство за прекъсване на дъгата, компресираният въздух се явява предпочитан избор за газови циркулаторни прекъсвачи. Има няколко убедителни причини за това:

• Азот: Неговите способности за прекъсване на тока са сходни с тези на компресирания въздух, без значително предимство по отношение на производителността.

• Въглероден диоксид: Едно от основните му недостатъци е трудността в контролирането на потока. Той има склонност да замръзва в клапаните и други тесни проходи, което може да наруши правилното функциониране на прекъсвача.

• Фреон: Въпреки че разполага с висока диелектрична прочност и отлични свойства за изгасване на дъгата, той е много скъп. Освен това, когато е изложен на дъга, той се разпада в елементи, образуващи киселина, което представлява риск за оборудването и околната среда.

Въздушните циркулаторни прекъсвачи предлагат няколко желани характеристики:

• Бързо функциониране: В големите свързани електрически мрежи поддържането на стабилността на системата е от най-голяма важност. Въздушните циркулаторни прекъсвачи изключително добре се справят с това, поради много краткия интервал между изпускането на импулса за активиране и разделянето на контактите. Този бърз отговор помага да се минимизира въздействието на дефектите върху цялата електрическа мрежа.

• Подходящост за често функциониране: В сравнение с прекъсвачите, използващи масло, които могат бързо да се карбонизират и да се обезценят при повторно свързване, въздушните циркулаторни прекъсвачи могат да издържат често функциониране. Отсъствието на масло означава, че има минимално износване на повърхностите, носещи тока. Но е важно да се осигури непрекъснато и достатъчно снабдяване с компресиран въздух, когато се очаква често свързване.

• Незначително поддръжка: Способността да се справят лесно с повторно свързване води до намалени изисквания за поддръжка. Това не само спестява средства за поддръжка, но и подобрява надеждността и наличието на прекъсвача.

• Елиминиране на опасността от пожар: Тъй като въздушните циркулаторни прекъсвачи не съдържат масло, рискът от пожар, свързан с маслени прекъсвачи, е напълно елиминиран, което ги прави по-безопасен избор за електрическите инсталации.

• Намалени размери: Бързият ръст на диелектричната прочност във въздушните циркулаторни прекъсвачи позволява значително по-малък крайно разстояние, необходима за изгасване на дъгата. Този компактен дизайн води до устройствата с по-малки размери, които могат лесно да бъдат интегрирани в електрическите системи и заемат по-малко пространство.

Принцип на изгасване на дъгата

Въздушният циркулаторен прекъсвач се опира на допълнителна система за компресиран въздух, за да доставя въздух до приемника. Когато прекъсвачът трябва да се отвори, компресираният въздух се насочва към камерата за изгасване на дъгата. Този високонапрегнат въздух оказва сила върху движещите контакти, причинявайки техното разделение. Докато контактите се разделят, въздушната струя измива ионизирания газ, образуван от дъгата, ефективно изгасвайки я.

Дъгата обикновено се изгасва в рамките на един или повече цикли. След изгасването на дъгата, камерата за изгасване на дъгата се запълва с високонапрегнат въздух, който помага да се предотврати повторно възпламеняване. Въздушните циркулаторни прекъсвачи попадат в категорията на прекъсвачи с външна енергия за изгасване. Енергията, използвана за изгасване на дъгата, произлиза от високонапрегнатия въздух, независимо от прекъснатия ток.

Видове въздушни циркулаторни прекъсвачи

Всички въздушни циркулаторни прекъсвачи работят по принципа на разделяне на контактите в поток от въздух, образуван от отварянето на клапан. Образуваната дъга бързо се центрира през насадка, където се поддържа на фиксирана дължина и е подложена на максималната сила на потока от въздух. В зависимост от посоката на компресираната въздушна струя около контактите, въздушните циркулаторни прекъсвачи могат да бъдат класифицирани в три типа:

• Осев въздушен циркулаторен прекъсвач: В този тип потокът от въздух е успореден на дъгата, протичайки продължително по дължината й. Осевите въздушни циркулаторни прекъсвачи могат да бъдат подразделени на единични или двойни. Някои двойни конфигурации, където потокът от въздух протича радиално към насадката или пространството между контактите, понякога се наричат радиални въздушни циркулаторни прекъсвачи, въпреки че основният концептуален дизайн е осев.

Основната структура и функционирането на въздушния циркулаторен прекъсвач са илюстрирани на горния чертеж. Под нормални условия на работа фиксираните и движещите контакти остават в затворено състояние, задържани от силата, оказвана от пружини. Резервоар за въздух е свързан с камерата за изгасване на дъгата чрез въздушна клапа. Тази клапа се активира от тройна импулсна система, която инициира отварянето й при наличие на дефект или необходимост за прекъсване на тока.

Когато в електрическата система се появи дефект, импулсът за отмяна служи като катализатор за действие. Този импулс активира въздушната клапа, свързваща резервоара с камера за изгасване на дъгата, причинявайки й да се отвори. Когато високонапрегнатият въздух от резервоара се изливаше в камерата за изгасване на дъгата, той оказва значителна сила върху движещите контакти. Когато налягането на въздуха надвиши съпротивлението, предоставено от пружинната сила, която обикновено държи контактите затворени, движещите контакти започват да се разделят, инициирайки процеса на прекъсване на електрическия ток и изгасване на дъгата.

Когато контактите се разделят поради налягането на високоскоростния въздух, дъга се формира между тях. Въздухът, протичащ с висока скорост осево по дължината на дъгата, ефективно премахва топлината от периферията на дъгата. Когато токът приближава нулата, това непрекъснато премахване на топлина причинява диаметърът на дъгата да намалее значително. В момент, когато токът достигне нулата, дъгата е успешно прекъсната. След това, прясният въздух, течейки през насадката, запълва пространството между контактите. Този поток от прясният въздух изчиства горещите, ионизирани газове, присъстващи в пространството между контактите, бързо възстановявайки диелектричната прочност между контактите и предотвратявайки всякакво възможно повторно възпламеняване на дъгата.

Прекъсвач с поперечен въздушен поток

В прекъсвача с поперечен въздушен поток механизът за изгасване на дъгата работи по различен начин. Тук, потокът от въздух за изгасване на дъгата е насочен перпендикулярно на самата дъга. Фигурата по-долу дава схематично представяне на принципа на поперечен въздушен поток, използван в този тип прекъсвач. Когато движещата се контактна ръка е активирана в ограничено пространство, се генерира дъга. Незабавно, поперечен поток от въздух изпраща тази дъга към разделителните плочи. Разделителните плочи разделят дъгата на по-малки части, разсейвайки нейната енергия. Този процес ефективно ослабява дъгата до степен, при която, след като токът мине нулата, тя няма енергия за повторно възпламеняване, гарантирайки успешното прекъсване на електрическата верига.

Съпротивително свързване и недостатъци на въздушните циркулаторни прекъсвачи

Съпротивително свързване

Обикновено, съпротивителното свързване не е абсолютна необходимост във въздушните циркулаторни прекъсвачи. Когато дъгата се изгаси, тя вътрешно създава някакво съпротивление, което помага да се регулира преходното напрежение при повторно възпламеняване. Но, ако допълнителното съпротивление се счита за полезно за конкретни приложения, то може да бъде интегрирано, като се свърже резистор към секцията за разделение на дъгата. Това добавено съпротивление предоставя допълнителен слой контрол върху преходното напрежение, подобрявайки производителността на прекъсвача при определени условия.

Недостатъци на въздушните циркулаторни прекъсвачи

Един от основните недостатъци на въздушните циркулаторни прекъсвачи е строгото изискване за непрекъснато снабдяване с компресиран въздух при точно налягане. За осигуряване на това наличие, често са необходими големи инсталации, обикновено с две или повече компресори. Поддържането на този сложен компресионен завод е сериозна задача; то изисква регулярна поддръжка, за да се поддържат компресорите в ефективно състояние и да се решават всички механични проблеми, които могат да възникнат.

Освен това, утечките на въздух в тръбопроводните връзки са постоянно притеснение. Дори и малките утечки могат постепенно да изчерпат налягането на въздуха, компрометирайки производителността на прекъсвача. Откриването и коригирането на тези утечки може да бъде времепотърсващо и трудоемко. Тези предизвикателства за поддръжка, комбинирани с необходимостта от сложна система за доставка на въздух, допринасят за по-високи операционни разходи.

При сравнение с маслените или другите видове въздушни прекъсвачи, въздушните циркулаторни прекъсвачи са особено скъпи за приложенията с ниско напрежение. Обширната инфраструктура, необходима за генериране на компресиран въздух, и свързаните с това разходи за поддръжка, ги правят по-малко икономически ефективни в случаи, когато са включени по-ниски напрежения, ограничавайки техното широко използване в такива контексти.