Luftbogenstromkreisschalter: Funktion, Vorteile und Arten

Ein Luftbogenstromkreisschalter verwendet komprimierte Luft oder Gas als Bogenlöschmedium. Die komprimierte Luft wird in einem Tank gespeichert und bei Bedarf durch eine Düse freigesetzt, um einen Hochgeschwindigkeitsstrahl zu erzeugen. Dieser Strahl spielt eine entscheidende Rolle bei der Löschung des Bogens, der entsteht, wenn der Stromkreisschalter den elektrischen Strom unterbricht.

Luftbogenstromkreisschalter werden häufig für Innenanwendungen im mittleren bis hohen Spannungsbereich mit mittleren Unterbrechungskapazitäten eingesetzt. Sie sind in der Regel für Spannungen bis zu 15 kV und Unterbrechungskapazitäten von 2500 MVA geeignet. Darüber hinaus werden sie jetzt auch in Hochspannungsausseneinschaltanlagen für 220-kV-Leitungen verwendet.

Während verschiedene Gase wie Kohlendioxid, Stickstoff, Freon oder Wasserstoff potenziell als Bogenlöschmedien dienen können, hat sich komprimierte Luft als bevorzugte Wahl für Gasbogenstromkreisschalter etabliert. Es gibt mehrere überzeugende Gründe dafür:

• Stickstoff: Seine Unterbrechungsfähigkeiten sind denen von komprimierter Luft vergleichbar und bieten keine signifikanten Vorteile in Bezug auf die Leistung.

• Kohlendioxid: Einer seiner Hauptnachteile ist die Schwierigkeit, seinen Fluss zu kontrollieren. Es neigt dazu, an Ventilen und anderen engen Durchgängen zu gefrieren, was die ordnungsgemäße Funktion des Stromkreisschalters stören kann.

• Freon: Obwohl es eine hohe dielektrische Festigkeit und ausgezeichnete Bogenlösch Eigenschaften aufweist, ist es sehr teuer. Darüber hinaus zerfällt es bei Kontakt mit einem Bogen in säurebildende Elemente, die das Gerät und die Umgebung gefährden können.

Luftbogenstromkreisschalter bieten mehrere wünschenswerte Merkmale:

• Hochgeschwindigkeitsbetrieb: In großen vernetzten elektrischen Netzen ist die Erhaltung der Systemstabilität von größter Wichtigkeit. Luftbogenstromkreisschalter leisten hierbei hervorragende Arbeit, da der Zeitraum zwischen dem Auslösen des Impulses und der Trennung der Kontakte extrem kurz ist. Diese schnelle Reaktion hilft, den Einfluss von Fehlern auf das Gesamtnetz zu minimieren.

• Eignung für häufige Betriebsvorgänge: Im Gegensatz zu Schaltern, die Öl verwenden, welches sich durch wiederholtes Schalten schnell verkokeln und degradieren kann, können Luftbogenstromkreisschalter häufige Betriebsvorgänge verkraften. Das Fehlen von Öl bedeutet auch, dass der Verschleiß der stromführenden Kontaktflächen minimal ist. Es ist jedoch wichtig, eine kontinuierliche und ausreichende Versorgung mit komprimierter Luft sicherzustellen, wenn häufiges Schalten erwartet wird.

• Geringe Wartungsbedürfnisse: Die Fähigkeit, wiederholtes Schalten leicht zu bewältigen, führt zu reduzierten Wartungsanforderungen. Dies spart nicht nur Wartungskosten, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Stromkreisschalters.

• Beseitigung des Brandrisikos: Da Luftbogenstromkreisschalter kein Öl enthalten, wird das mit ölgefüllten Schaltern verbundene Brandrisiko vollständig beseitigt, was sie zu einer sichereren Option für elektrische Installationen macht.

• Verringerte Größe: Der schnelle Anstieg der dielektrischen Festigkeit bei Luftbogenstromkreisschaltern ermöglicht einen viel kleineren Endspalt, der für die Bogenlöschung erforderlich ist. Dieses kompakte Design führt zu kleineren Geräten, die einfacher in elektrische Systeme integriert werden und weniger Platz einnehmen.

Prinzip der Bogenlöschung

Ein Luftbogenstromkreisschalter setzt auf ein zusätzliches Kompressorsystem, um Luft zum Luftbehälter zu liefern. Wenn der Stromkreisschalter geöffnet werden muss, wird die komprimierte Luft in den Bogenlöschräumen geleitet. Dieser Hochdruckluftstrahl übt eine Kraft auf die beweglichen Kontakte aus, wodurch sie sich trennen. Während die Kontakte auseinanderziehen, fegt der Luftstrahl das ionisierte Gas, das durch den Bogen gebildet wird, weg und löscht ihn effektiv.

Der Bogen wird in der Regel innerhalb eines oder mehrerer Zyklen gelöscht. Nach der Bogenlöschung wird der Bogenraum mit Hochdruckluft gefüllt, was Restrikes verhindert. Luftbogenstromkreisschalter gehören zur Kategorie der externen Löscheinrichtungen. Die Energie, die für die Bogenlöschung verwendet wird, stammt von der Hochdruckluft und ist unabhängig vom unterbrochenen Strom.

Arten von Luftbogenstromkreisschaltern

Alle Luftbogenstromkreisschalter arbeiten nach dem Prinzip, ihre Kontakte in einem durch die Öffnung eines Druckventils erzeugten Bogenbildenden Luftstrahl zu trennen. Der entstehende Bogen wird schnell durch eine Düse zentriert, wo er eine feste Länge beibehält und der maximalen Kraft des Luftstrahls ausgesetzt ist. Basierend auf der Richtung des komprimierten Luftstrahls um die Kontakte herum können Luftbogenstromkreisschalter in drei Arten eingeteilt werden:

• Axialer Luftbogenstromkreisschalter: Bei dieser Art fließt der Luftstrahl parallel zum Bogen, längs seiner Länge. Axiale Luftbogenstromkreisschalter können weiter in Einzel- oder Doppelstrahlarten unterteilt werden. Manche Doppelstrahlarrangements, bei denen der Luftstrahl radial in die Düse oder den Raum zwischen den Kontakten strömt, werden manchmal trotz des primären axialen Strömungsdesigns als radiale Luftbogenstromkreisschalter bezeichnet.

Die grundlegende Struktur und Funktion eines Luftbogenstromkreisschalters werden in der obigen Abbildung dargestellt. Unter normalen Betriebsbedingungen bleiben die festen und beweglichen Kontakte in geschlossenem Zustand, gehalten durch die Kraft, die von Federn ausgeübt wird. Ein Luftreservoirtank ist über einen Luftventil mit dem Bogenraum verbunden. Dieser Ventil wird durch ein Dreifachimpulsmechanismus aktiviert, der seine Öffnung auslöst, wenn ein Fehler oder die Notwendigkeit besteht, den Strom zu unterbrechen.

Wenn ein Fehler im elektrischen System auftritt, dient der Auslösimpuls als Katalysator für die Aktion. Dieser Impuls aktiviert den Luftventil, der das Luftreservoir mit dem Bogenraum verbindet, und führt zu dessen Öffnung. Als Hochdruckluft aus dem Reservoir in den Bogenraum strömt, übt sie eine beträchtliche Kraft auf die beweglichen Kontakte aus. Sobald der Luftdruck die Widerstandskraft der Federn, die normalerweise die Kontakte geschlossen halten, übersteigt, beginnen die beweglichen Kontakte sich zu trennen und der Prozess der Unterbrechung des elektrischen Stroms und der Bogenlöschung wird initiiert.

Wenn die Kontakte aufgrund des Drucks des Hochgeschwindigkeitsluftstrahls getrennt werden, bildet sich ein Bogen zwischen ihnen. Die Luft, die in hohem Tempo axial entlang der Länge des Bogens strömt, entfernt effektiv Wärme von der Peripherie des Bogens. Je näher der Strom Null herankommt, desto mehr schrumpft der Durchmesser des Bogens. Im Moment, in dem der Strom Null erreicht, wird der Bogen erfolgreich unterbrochen. Anschließend füllt frische Luft, die durch die Düse strömt, den Raum zwischen den Kontakten. Dieser Luftstrom sorgt dafür, dass die heißen, ionisierten Gase, die im Kontaktraum vorhanden waren, abgetragen werden, wodurch die dielektrische Festigkeit zwischen den Kontakten schnell wiederhergestellt wird und ein eventuelles Wiederentzünden des Bogens verhindert wird.

Querstrahl-Luftbogenstromkreisschalter

Bei einem Querstrahl-Luftbogenstromkreisschalter funktioniert der Bogenlöschantrieb anders. Hier wird der Bogenstrahl senkrecht zum Bogen selbst gerichtet. Die folgende Abbildung zeigt schematisch das Querstrahlprinzip, das in diesem Typ von Stromkreisschalter angewendet wird. Wenn der bewegliche Kontaktarm in einem begrenzten Raum betätigt wird, entsteht ein Bogen. Sofort darauf treibt ein querlaufender Luftstrahl diesen Bogen in Richtung der Spaltplatten. Die Spaltplatten zerlegen den Bogen in kleinere Segmente, was seine Energie dissipiert. Dieser Prozess schwächt den Bogen so weit, dass, nachdem der Strom Null durchläuft, er nicht mehr genug Energie hat, um erneut zu entzünden, was die erfolgreiche Unterbrechung des elektrischen Schaltkreises sicherstellt.

Widerstandsunterbrechung und Nachteile von Luftbogenstromkreisschaltern

Widerstandsunterbrechung

Typischerweise ist Widerstandsunterbrechung bei Luftbogenstromkreisschaltern nicht absolut notwendig. Wenn der Bogen gelöscht wird, entsteht dadurch automatisch ein gewisser Widerstand, der hilft, die transiente Wiederentzündungsspannung zu regulieren. Wenn jedoch zusätzlicher Widerstand für bestimmte Anwendungen vorteilhaft ist, kann er durch Anschluss eines Widerstands an den Bogen-Splitterabschnitt eingefügt werden. Dieser zusätzliche Widerstand bietet eine zusätzliche Kontrolle über die Spannungstransienten und verbessert die Leistung des Stromkreisschalters unter bestimmten Bedingungen.

Nachteile von Luftbogenstromkreisschaltern

Eine der größten Einschränkungen von Luftbogenstromkreisschaltern ist die strenge Anforderung an eine kontinuierliche Versorgung mit komprimierter Luft in präziser Druckstärke. Um diese Verfügbarkeit sicherzustellen, sind oft groß angelegte Installationsanlagen erforderlich, die in der Regel zwei oder mehr Kompressoren umfassen. Die Wartung dieser komplexen Kompressionsanlage ist keine Kleinigkeit; sie erfordert regelmäßige Pflege, um die Kompressoren effizient laufen zu lassen und mechanische Probleme zu beheben, die auftreten können.

Darüber hinaus stellt das Leck von Luft an Rohrverbindungen ein andauerndes Problem dar. Selbst kleine Lecks können allmählich den Luftdruck abbauen, was die Leistung des Stromkreisschalters beeinträchtigt. Das Aufspüren und Beheben dieser Lecks kann zeitaufwendig und arbeitsintensiv sein. Diese Wartungsherausforderungen, kombiniert mit der Notwendigkeit eines anspruchsvollen Luftversorgungssystems, tragen zu höheren Betriebskosten bei.

Im Vergleich zu Öl- oder anderen Luftbogenstromkreisschaltern sind Luftbogenstromkreisschalter besonders teuer für Niederspannungsanwendungen. Die umfangreiche Infrastruktur, die für die Erzeugung von komprimierter Luft erforderlich ist, sowie die damit verbundenen Wartungskosten machen sie für Szenarien mit niedrigeren Spannungen weniger kosteneffektiv, was ihre weite Verbreitung in solchen Kontexten einschränkt.