Pneumatikové vypínače: Princip fungování, výhody a typy

Pneumatikový vypínač využívá stlačený vzduch nebo plyn jako prostředek pro přerušení oblouku. Stlačený vzduch je uložen v nádrži a když je třeba, je uvolněn skrze trysku, aby vytvořil vysokorychlostní proud. Tento proud hraje klíčovou roli při uhašení oblouku, který vzniká, když vypínač přeruší elektrický proud.

Pneumatikové vypínače jsou často používány pro vnitřní aplikace v rozmezí středně vysokých napětí se středně vysokou přerušovací kapacitou. Typicky jsou vhodné pro napětí až 15 kV a přerušovací kapacity 2500 MVA. Kromě toho jsou nyní používány i v vysokonapěťových venkovních rozvodnách pro linky 220 kV.

Ačkoli různé plyny, jako je oxid uhličitý, dusík, freon nebo vodík, mohou potenciálně sloužit jako prostředky pro přerušení oblouku, stlačený vzduch se stal preferovanou volbou pro pneumatikové vypínače. Existuje několik přesvědčivých důvodů pro toto:

• Dusík: Jeho schopnosti přerušovat okruh jsou srovnatelné se stlačeným vzduchem, což neposkytuje žádnou zásadní výhodu v oblasti výkonu.

• Oxid uhličitý: Jednou z jeho hlavních nevýhod je obtížná kontrola průtoku. Má tendenci mrazit na ventilech a jiných úzkých průchodech, což může narušit správné fungování vypínače.

• Freon: Ačkoli má vysokou dielektrickou sílu a vynikající vlastnosti pro uhašení oblouku, je velmi drahý. Kromě toho, když je expozován na oblouk, rozpadá se na prvky, které tvoří kyseliny, což představuje riziko pro zařízení a okolí.

Pneumatikové vypínače nabízejí několik požadovaných vlastností:

• Rychlé fungování: V rozsáhlých propojených elektrických sítích je nezbytné udržovat stabilitu systému. Pneumatikové vypínače v tomto ohledu excelují díky extrémně krátkému časovému intervalu mezi vypnutím spouštěcího impulsu a oddělením kontaktů. Tato rychlá reakce pomáhá minimalizovat dopad poruch na celkovou elektrickou síť.

• Vhodnost pro časté operace: Na rozdíl od olejových vypínačů, které mohou rychle uhlinit a degradovat při opakovaném přepínání, pneumatikové vypínače mohou snést časté operace. Absence oleje také znamená minimální opotřebení nosných povrchů kontaktů. Je však nezbytné zajistit spojitý a dostatečný přísun stlačeného vzduchu, pokud se očekává časté přepínání.

• Zanedbatelná údržba: Schopnost snadno zvládat opakované přepínání převádí na snížené požadavky na údržbu. To nejen šetří na nákladech na údržbu, ale také zvyšuje spolehlivost a dostupnost vypínače.

• Eliminace požárového rizika: Protože pneumatikové vypínače neobsahují olej, je úplně eliminováno riziko požáru spojené s olejovými vypínači, což z nich dělá bezpečnější možnost pro elektrotechnické instalace.

• Snížená velikost: Rychlý růst dielektrické síly u pneumatikových vypínačů umožňuje mnohem menší konečnou mez pro uhašení oblouku. Tento kompaktní design vede k menším zařízením, která lze snáze integrovat do elektrických systémů a zabírají méně místa.

Princip uhašení oblouku

Pneumatikový vypínač se spoléhá na dodatečný systém stlačeného vzduchu, který poskytuje vzduch do vzduchového přijímače. Když je třeba vypínač otevřít, stlačený vzduch je vedena do komory pro uhašení oblouku. Tento vysokotlaký vzduch vyvíjí sílu na pohyblivé kontakty, což způsobuje jejich oddělení. Jak se kontakty oddělují, vzduchový proud odnáší ionizovaný plyn vytvořený obloukem, což efektivně uhasí oblouk.

Oblouk je obvykle uhašen během jednoho nebo více cyklů. Po uhašení oblouku je komora pro oblouk plněna vysokotlakým vzduchem, což pomáhá zabránit znovuzaplacení. Pneumatikové vypínače patří do kategorie vypínačů s externí energií pro uhašení. Energie použitá pro uhašení oblouku pochází z vysokotlakého vzduchu, nezávisle na přerušovaném proudu.

Typy pneumatikových vypínačů

Všechny pneumatikové vypínače fungují na principu oddělení svých kontaktů v proudu vzduchu, který vzniká otevřením ventilu. Oblouk, který vzniká, je rychle soustředěn skrz trysku, kde je udržován na pevné délce a podroben maximální síle proudu vzduchu. Na základě směru stlačeného vzduchového proudu kolem kontaktů lze pneumatikové vypínače rozdělit do tří typů:

• Axialní proudový vypínač: U tohoto typu je proud vzduchu rovnoběžný s obloukem a protéká podél jeho délky. Axialní proudové vypínače lze dále rozdělit na jednoproudové nebo dvojproudové. Některé dvojproudové uspořádání, kde proud vzduchu protéká radiálně do trysky nebo mezi kontakty, jsou někdy označovány jako radiální proudové vypínače, navzdory primárnímu konceptu axialního proudu.

Základní struktura a funkce pneumatikového vypínače jsou znázorněny na obrázku výše. Za normálních pracovních podmínek zůstávají pevné a pohyblivé kontakty v uzavřeném stavu, drženy silou pružin. Nádrž s vzduchem je spojena s komorou pro oblouk přes vzduchový ventil. Tento ventil je aktivován trojitým impulsním mechanismem, který způsobí jeho otevření, když dojde k poruše nebo k potřebě přerušení proudu.

Když dojde k poruše v elektrickém systému, spouštěcí impuls slouží jako katalyzátor pro akci. Tento impuls aktivuje vzduchový ventil, který spojuje nádrž s vzduchem s komorou pro oblouk, což způsobí jeho otevření. Jak vysokotlaký vzduch z nádrže proudí do komory pro oblouk, vyvíjí na pohyblivé kontakty významnou sílu. Jakmile přetlačí odpor poskytovaný silou pružin, které obvykle drží kontakty uzavřené, pohyblivé kontakty začnou oddělovat, což zahajuje proces přerušení elektrického proudu a uhašení oblouku.

Když se kontakty oddělí pod tlakem vysokorychlostního vzduchu, vzniká mezi nimi oblouk. Vzduch, který proudí vysokou rychlostí podél délky oblouku, efektivně odvádí teplo z periferie oblouku. Jak se proud blíží k nule, tento kontinuální odvod tepla způsobí, že průměr oblouku značně klesne. V okamžiku, kdy proud dosáhne nuly, je oblouk úspěšně přerušen. Následně nový vzduch, proudící skrze trysku, vyplní prostor mezi kontakty. Tento proud nového vzduchu odstraní horké, ionizované plyny, které byly v prostoru mezi kontakty, rychle obnoví dielektrickou sílu mezi kontakty a zabrání jakékoliv možné znovuzaplacení oblouku.

Příčný proudový vypínač

U příčného proudového vypínače funguje mechanismus pro uhašení oblouku jinak. Zde je proud oblouku směřován kolmo k oblouku samotnému. Níže uvedená schémata ilustrují princip příčného proudu použitý u tohoto typu vypínače. Když je pohyblivé kontaktní rameno aktivováno v uzavřeném prostoru, vzniká oblouk. Okamžitě ho transverzální proud vzduchu odvede k rozdělovačům. Rozdělovače rozdělí oblouk na menší segmenty, což rozptýlí jeho energii. Tento proces efektivně oslabí oblouk do takové míry, že po průchodu proudu nulou nemá dostatek energie k znovuzaplacení, což zajišťuje úspěšné přerušení elektrického okruhu.

Odpornostní přepínání a nevýhody pneumatikových vypínačů

Odpornostní přepínání

Typicky není odpornostní přepínání absolutně nutné u pneumatikových vypínačů. Když je oblouk uhašen, vytváří nějakou odpornost, což pomáhá regulovat přechodné napětí při znovuzaplacení. Pokud je však dodatečná odpornost pro specifické aplikace považována za prospěšnou, může být začleněna připojením odpornosti napříč sekci rozdělovače oblouku. Tato dodatečná odpornost poskytuje další vrstvu kontroly nad přechodným napětím, což zlepšuje výkon vypínače v určitých podmínkách.

Nevýhody pneumatikových vypínačů

Jednou z hlavních omezení pneumatikových vypínačů je striktní požadavek na spojitý přísun stlačeného vzduchu přesně stanoveného tlaku. Aby byla zajištěna dostupnost, jsou často potřebné rozsáhlé instalace, obvykle s dvěma nebo více kompresory. Údržba tohoto komplexního kompresorového zařízení není malá věc; vyžaduje pravidelnou péči, aby se kompresory udržovaly v efektivním chodu a aby byly řešeny jakékoliv mechanické problémy, které mohou vzniknout.

Kromě toho je trvalým problémem unikání vzduchu na spojích potrubí. I malé úniky mohou postupně vyčerpat tlak vzduchu, což kompromituje výkon vypínače. Detekce a oprava těchto úniků může být časově náročná a pracná. Tyto údržbové výzvy, kombinované s potřebou sofistikovaného vzduchového systému, přispívají ke vyšším provozním nákladům.

Ve srovnání s olejovými nebo jinými typy vzduchových vypínačů jsou pneumatikové vypínače zejména drahé pro nízkonapěťové aplikace. Rozsáhlá infrastruktura potřebná pro generování stlačeného vzduchu a přidružené údržbové náklady je činí méně ekonomickými v situacích, kde jsou zapojeny nižší napětí, což omezuje jejich široké použití v takových kontextech.