Luftblæselskredsløbsafbrydere: Funktion, fordele og typer

En luftblæselskredsløbsafbryder anvender komprimeret luft eller gas som bueafbrydende medium. Komprimeret luft opbevares i en tank, og når det er nødvendigt, frigives den gennem en duese for at generere et højhastighedsstråle. Dette stråle spiller en vigtig rolle i at slukke buen, der dannes, når kredsløbsafbryderen afbryder den elektriske strøm.

Luftblæselskredsløbsafbrydere anvendes ofte til indendørs anvendelse i mellem- og højspændingsområdet med mellemstore afbrydningsevner. Typisk er de egnet til spændinger op til 15 kV og afbrydningsevner på 2500 MVA. Desuden anvendes de nu også i højspændingsudendørs switchyards for 220 kV linjer.

Selvom forskellige gasser som kulilte, kvælstof, freon eller brint potentielt kan fungere som bueafbrydende medier, har komprimeret luft vundet frem som den foretrukne valg for gasblæselskredsløbsafbrydere. Der er flere overbevisende grunde til dette:

• Kvælstof: Dets kredsløbsafbrydende evner er sammenlignelige med dem af komprimeret luft, uden betydelige fordele i forhold til ydeevne.

• Kulilte: En af dets største ulemper er vanskeligheden i at kontrollere dens strøm. Den har en tendens til at fryse ved ventilatorer og andre smalle passager, hvilket kan forstyrre kredsløbsafbryderens korrekte funktion.

• Freon: Selvom den har høj dielektrisk styrke og fremragende bueafslukkende egenskaber, kommer den med en høj pris. Desuden, når den udsættes for en bue, opløses den i syrebildende elementer, hvilket udgør risici for udstyret og den omgivende miljø.

Luftblæselskredsløbsafbrydere tilbyder flere ønskværdige egenskaber:

• Hastighed: I store sammenkoblede elektriske netværk er det afgørende at opretholde systemets stabilitet. Luftblæselskredsløbsafbrydere er fremragende i denne henseende på grund af den ekstremt korte tidsinterval mellem udløsningen af den udløsende impuls og adskillelsen af kontakterne. Den hurtige reaktion hjælper med at minimere fejlens indflydelse på det samlede elektriske netværk.

• Egnethed til hyppig drift: I modsætning til kredsløbsafbrydere, der anvender olie, som hurtigt kan karbonisere og forringes med gentagen skift, kan luftblæselskredsløbsafbrydere klare hyppig drift. Fraværet af olie betyder også, at der er minimal slid og tear på de strømførende kontaktflader. Det er dog afgørende at sikre en kontinuerlig og tilstrækkelig levering af komprimeret luft, når hyppig skift forventes.

• Forringet vedligeholdelse: Evnen til at håndtere gentagen skift med letthed oversætter sig til mindre vedligeholdelseskrav. Dette resulterer ikke kun i besparelser på vedligeholdelsesomkostninger, men forbedrer også kredsløbsafbryderens pålidelighed og tilgængelighed.

• Elimination af brandrisiko: Da luftblæselskredsløbsafbrydere ikke indeholder olie, elimineres risikoen for brand, der er forbundet med oliefyldte kredsløbsafbrydere, hvilket gør dem til en sikrere mulighed for elektriske installationer.

• Reduction af størrelse: Den hurtige vækst i dielektrisk styrke i luftblæselskredsløbsafbrydere tillader en meget mindre endelig gap, der kræves for bueafslukking. Dette kompakte design resulterer i mindre enheder, der nemmere kan integreres i elektriske systemer og optager mindre plads.

Princip for bueafslukking

En luftblæselskredsløbsafbryder er afhængig af et ekstra komprimeret luftsystem til at levere luft til luftmodtageren. Når kredsløbsafbryderen skal åbnes, dirigeres komprimeret luft ind i bueafslukningskammeret. Dette højtryksluft udfolder en kraft på de bevægelige kontakter, der får dem til at adskille. Da kontakterne trækker fra hinanden, svepper luftblæset bort den ioniserede gas, der dannes af buen, og slukker effektivt den.

Buen bliver typisk slukket inden for én eller flere cyklusser. Efter bueafslukning fyldes buekammeret med højtryksluft, hvilket hjælper med at forhindre genopstart. Luftblæselskredsløbsafbrydere falder under kategorien ekstern afslukningsenergi type. Energien, der bruges til at kvæle buen, kommer fra højtryksluften, uafhængigt af den afbrydende strøm.

Typer af luftblæselskredsløbsafbrydere

Alle luftblæselskredsløbsafbrydere fungerer på principperne for at adskille deres kontakter i en bueformende luftstrøm, der oprettes ved at åbne en blæseventil. Bue, der dannes, centrerer hurtigt gennem en duese, hvor den opretholdes på en fast længde og udsættes for den maksimale kraft af luftstrømmen. Baseret på retningen af det komprimerede luftblæs omkring kontakterne, kan luftblæselskredsløbsafbrydere inddeles i tre typer:

• Axialblæseluftkredsløbsafbryder: I denne type er luftstrømmen parallel med bue, løber longitudinalt langs dens længde. Axialblæseluftkredsløbsafbrydere kan videre inddeles i single-blast eller double-blast. Nogle double-blast-opstillinger, hvor luftblæset strømmer radielt ind i duseen eller mellemrummet mellem kontakterne, kaldes nogle gange for radialblæseluftkredsløbsafbrydere, trods det primære axiale strømningsdesignkoncept.

Den fundamentale struktur og funktion af en luftblæselskredsløbsafbryder er illustreret i ovenstående diagram. Under normale driftsforhold befinder de faste og bevægelige kontakter sig i en lukket tilstand, holdt sammen af kraften, der udfoldes af fjeder. En luftreservoirtank er forbundet til buekammeret via en luftventil. Denne ventil aktiveres af en triple impuls mekanisme, der udløser dens åbning, når en fejl eller behov for at afbryde strømmen opstår.

Når en fejl opstår i det elektriske system, fungerer udløsningsimpulsen som katalysator for handling. Denne impuls aktiverer luftventilen, der forbinder luftreservoaren med buekammeret, og får den til at åbne. Når højtryksluft fra reservoirtet rusler ind i buekammeret, udfolder den en betydelig kraft på de bevægelige kontakter. Når lufttrykket overstiger modstanden, der normalt holder kontakterne lukket, begynder de bevægelige kontakter at adskilles, og initierer processen med at afbryde den elektriske strøm og slukke buen.

Når kontakterne adskilles på grund af trykket fra højhastighedsluft, dannes en bue mellem dem. Luften, der strømmer med høj hastighed langs bue-længden, fjerner effektivt varme fra buens periferi. Da strømmen nærmer sig nul, forårsager denne konstante varmefjernelse, at buens diameter formindskes betydeligt. I øjeblikket, hvor strømmen når nul, afbrydes buen succesfuldt. Herefter fylde frisk luft, der strømmer gennem duseen, mellemrummet mellem kontakterne. Dette luftstrøm udtømmer den varme, ioniserede gas, der var til stede i kontaktområdet, og genopretter hurtigt dielektrisk styrke mellem kontakterne, og forhindrer eventuelle genopstart af buen.

Krydsblæseluftkredsløbsafbryder

I en krydsblæseluftkredsløbsafbryder fungerer bueafslukningsmekanismen anderledes. Her rettes bueblæset vinkelret på bue selv. Figuren nedenfor giver en skematisk illustration af krydsblæs-princippet, der anvendes i denne type kredsløbsafbryder. Når den bevægelige kontaktarm aktiveres i et begrænset rum, dannes en bue. Umedelbart derefter driver et tværs blæs af luft denne bue mod splitterplader. Splitterplader fragmenterer buen i mindre dele, dissiperer dens energi. Denne proces svækker effektivt buen til den grad, at efter strømmen passer gennem nul, mangler den energi til at genopstarte, hvilket sikrer den succesfulde afbrydelse af det elektriske kredsløb.

Modstandsskift og ulemper ved luftblæselskredsløbsafbrydere

Modstandsskift

Typisk er modstandsskift ikke en absolut nødvendighed i luftblæselskredsløbsafbrydere. Når bue kvæles, skaber den i sig selv en vis modstand, der hjælper med at regulere den midlertidige genopstartsvoltage. Hvis yderligere modstand dog anses for at være fordelagtig for specifikke applikationer, kan den indarbejdes ved at forbinde en modstand på tværs af bue-splittersektionen. Denne tilføjede modstand giver en ekstra lag af kontrol over spændingsovergangen, der forbedrer kredsløbsafbryderens ydeevne under bestemte forhold.

Ulemper ved luftblæselskredsløbsafbrydere

En af de største begrænsninger ved luftblæselskredsløbsafbrydere er den strenge krav om en kontinuerlig levering af komprimeret luft ved præcis tryk. For at sikre denne tilgængelighed er store anlæg ofte nødvendige, typisk med to eller flere kompressorer. Vedligeholdelse af dette komplekse kompressionsanlæg er ingen ringe sag; det kræver regelmæssig vedligeholdelse for at holde kompressorerne i gang effektivt og adressere eventuelle mekaniske problemer, der måtte opstå.

Desuden er luftlækage ved rørtilslutninger et vedvarende problem. Selv mindre lækager kan gradvist udtømme lufttrykket, hvilket underminerer kredsløbsafbryderens ydeevne. Det er tidskrævende og arbejdskrævende at opdage og rette disse lækager. Disse vedligeholdelsesudfordringer kombineret med behovet for et avanceret luftleveringssystem bidrager til højere driftsomkostninger.

Når man sammenligner med olie eller andre typer luftbrydende kredsløbsafbrydere, er luftblæselskredsløbsafbrydere især dyre for lavspændingsapplikationer. Den omfattende infrastruktur, der kræves for komprimeret luftgenerering, og de associerede vedligeholdelsesomkostninger gør dem mindre kosteffektive i scenarier, hvor lavere spændinger er involveret, hvilket begrænser deres bred anvendelse i sådanne kontekster.