Ilmavirtaohjaimet: Toiminta, edut ja tyypit

Ilmavirtaohjaimessa käytetään tiivistettyä ilmaa tai kaasua kaaren katkaisumediumina. Tiivistetty ilma tallennetaan säiliöön, ja kun sitä tarvitaan, se vapautetaan suuttimen kautta luodakseen korkean nopeuden virtauksen. Tämä virtaus on avainasemassa sähkövirtaan liittyvän kaaren sammuttamisessa, joka muodostuu, kun ohjauslaitos katkaisee sähkövirran.

Ilmavirtaohjaimia käytetään yleisesti sisäisiin sovelluksiin keski- ja korkeajännitteellä, jossa niiden katkaisukapasiteetti on keskimääräinen. Yleensä ne sopivat jännitteille enintään 15 kV:lle ja katkaisukapasiteetille 2500 MVA. Lisäksi niitä käytetään nykyisin myös korkeajännitteisiin ulkoisiin kytkentälaitteistoihin 220 kV -linjoissa.

Vaikka erilaisia kaasuja, kuten hiilidioksidia, typpeä, freonia tai vetyä, voitaisiin käyttää kaaren katkaisumediumina, tiivistetty ilmasta on tullut suosittu valinta kaasuvirtaohjaimille. Siihen on useita vakuuttavia syitä:

• Typi: Sen katkaisukyky on vertailtavissa tiivistetyn ilman kanssa, eikä se tarjoa merkittäviä etuja suorituskyvyn kannalta.

• Hiilidioksiidi: Yksi sen pääasiallisista haitoista on sen virran hallinnan vaikeus. Se taipuu jäätymään venttiileihin ja muihin kapeisiin kohdamiin, mikä voi häiritä ohjauslaitoksen oikean toiminnan.

• Freoni: Vaikka sillä on korkea dielektrinen vahvuus ja erinomaiset kaarensammutusominaisuudet, se on kalliimpaa. Lisäksi arkun alttiina se hajoaa happamuutta tuottaviin alkuaineisiin, mikä aiheuttaa riskejä laitteille ja ympäristölle.

Ilmavirtaohjaimilla on useita haluttuja ominaisuuksia:

• Nopea toiminta: Suurissa yhtenäisissä sähköverkoissa järjestelmän vakauden ylläpitäminen on ensiarvoisen tärkeää. Ilmavirtaohjaimet erikoistuvat tähän suhteessa, koska aika-aikaväli näppäimen purkautumisen ja kontaktien erottumisen välillä on erittäin lyhyt. Tämä nopea vastaus auttaa vähentämään sijaintivirheiden vaikutusta koko sähköverkkoon.

• Sopivuus usealle toistuvalle toiminnalle: Toisin kuin öljyllä toimivat ohjauslaitokset, jotka voivat nopeasti hiilistyyntyä ja heikentyä toistuvin kytkentöin, ilmavirtaohjaimet kestävät useita toistuvin kytkentöin. Öljyn puuttuminen tarkoittaa, että sähköntuoventapojen kuluminen on minimaalista. On kuitenkin olennaista varmistaa jatkuva ja riittävä tiivistetyn ilman saanti, jos useita kytkentöjä odotetaan.

• Vähäinen huolto: Kyky käsitellä toistuvin kytkentöin helposti tarkoittaa pienempää huollon tarvetta. Tämä säästää huoltokustannuksissa ja parantaa ohjauslaitoksen luotettavuutta ja saatavuutta.

• Paloalttiuden poistaminen: Koska ilmavirtaohjaimissa ei ole öljyä, öljyä sisältävien ohjauslaitosten paloriski poistetaan täysin, mikä tekee niistä turvallisemman vaihtoehdon sähköasetelmissa.

• Pienempi koko: Ilmavirtaohjaimissa dielektrisen vahvuuden nopea kasvu mahdollistaa paljon pienemmän lopullisen aukon, joka tarvitaan kaaren sammuttamiseen. Tämä kompakti suunnitelma johtaa pienempiin laitteisiin, jotka voidaan integroida helpommin sähköjärjestelmiin ja vievät vähemmän tilaa.

Kaaren sammutusperiaate

Ilmavirtaohjaimessa käytetään lisäksi tiivistettyä ilmajärjestelmää, joka toimittaa ilman ilmakonttoriin. Kun ohjauslaitoksella on avattava, tiivistetty ilma ohjataan kaaren sammutussalkkuun. Tämä korkeapaineinen ilma harjoittaa voimaa liikkuviin kontakteihin, mikä aiheuttaa niiden erottumisen. Kontaktien erottaessaan toisistaan ilmavirta siirtää pois ionisoituneen kaasun, joka muodostuu kaaresta, tehokkaasti sammuttaen sen.

Kaara sammutetaan yleensä yhden tai useamman syklina. Kaaren sammutuksen jälkeen kaarasalkku täytetään korkeapaineisella ilmalla, mikä auttaa estämään uusien kaarien muodostumista. Ilmavirtaohjaimet kuuluvat ulkoisen sammutusenergian tyypin alle. Energia, jota käytetään kaaren sammutukseen, tulee korkeapaineisesta ilmasta, riippumatta katkaistavasta virrasta.

Ilmavirtaohjaimien tyypit

Kaikki ilmavirtaohjaimet toimivat kontaktiensa erottamisperiaatteella, jossa luodaan kaarenmuodostava ilmavirta avaamalla puhallusventtiili. Muodostuva kaara keskittyy nopeasti suuttimen läpi, jossa se ylläpidetään kiinteällä pituudella ja asetetaan maksimaaliseen ilmavirtaan. Ilmavirtaohjaimet voidaan luokitella kolmeen tyyppiin tiivistetyn ilman suuntaa kontaktien ympärillä:

• Aksiaalinen ilmavirtaohjain: Tässä tyypissä ilmavirta on rinnakkainen kaaren kanssa, virtaen sen pituuden suuntaan. Aksiaalisia ilmavirtaohjaimia voidaan edelleen luokitella yhden- tai kaksipuhallukseksi. Jotkut kaksipuhallukset, jossa ilmavirta virtaa radiaalisesti suuttimen tai kontaktien välistä, viitataan joskus radiaalisiin ilmavirtaohjaimiin, vaikka pääasiallinen aksiaalinen suunnitelma pysyy ennallaan.

Ilmavirtaohjaimen perusrakenne ja toiminta havainnollistetaan yllä olevassa diagrammissa. Normaalissa toimintatilassa kiinteät ja liikkuvat kontaktit ovat suljettuna, pidetty yhdessä keinojen voimana. Ilmasäiliöt on yhdistetty kaarasalkkuun ilmavalven kautta. Tämä valve aktivoituu kolmiportaisella impulssimekanismilla, joka aiheuttaa sen avaamisen, kun sijaintivirhe tai virran katkaisutarve syntyy.

Kun sähköjärjestelmässä tapahtuu sijaintivirhe, kytkentäimpulssi toimii toiminnan katalysaattorina. Tämä impuls aktivoi ilmavalven, joka yhdistää ilmasäiliön kaarasalkkuun, aiheuttaen sen avaamisen. Kun korkeapaineinen ilma säiliöstä virtaa kaarasalkkuun, se harjoittaa huomattavaa voimaa liikkuviin kontakteihin. Kun ilmanpaine ylittää keinojen voiman, joka normaalisti pitää kontakteja suljettuna, liikkuvat kontaktit alkavat erottua, aloittaen prosessin sähkövirran katkaisemisesta ja kaaren sammuttamisesta.

Kun kontaktit erottuvat korkean nopeuden ilmanpaineen vuoksi, kaara muodostuu niiden välillä. Ilma, joka virtaa korkealla nopeudella aksiaalisesti kaaren pituuden suuntaan, poistaa tehokkaasti kaaren reunan lämpöä. Kun virta lähestyy nollaa, tämä jatkuva lämpöpoisto aiheuttaa kaaren halkaisijan merkittävän supistumisen. Hetkellä, jolloin virta saavuttaa nollan, kaara on onnistuneesti katkaistu. Tämän jälkeen uusi ilma, joka virtaa suuttimen kautta, täyttää kontaktien välisen tilan. Tämä uuden ilman virtaus poistaa pois kuumat, ionisoituneet kaasut, jotka olivat kontaktien välisessä tilassa, palauttaen nopeasti dielektrisen vahvuuden kontakteiden välillä ja estäen kaaren mahdollisen uudelleen syttyämisen.

Ristiin ilmavirtaohjain

Ristiin ilmavirtaohjaimessa kaaren sammutusmekanismi toimii eri tavalla. Tässä kaaren puhallus suunnataan kohtisuorasti kaaraan. Alla oleva kaavio havainnollistaa ristiin ilmavirtaperiaatetta, jota tällaisessa ohjauslaitoksessa käytetään. Kun liikkuvan kontaktikäsivarren aktivoitaan rajatulla tilalla, kaara muodostuu. Vasta hetken kuluttua ristiin ilmavirta työntää tämän kaaren splitterlevylle. Splitterlevyt fragmentoivat kaaren pienempiin osiin, hajaannuttamalla sen energian. Tämä prosessi heikentää kaarta niin, että virran kullessa nollan kautta sille puuttuu energia uudelleen syttyä, varmistamaan onnistuneen sähkövirran katkaisun.

Vastuskytkentä ja ilmavirtaohjaimien haitat

Vastuskytkentä

Yleensä vastuskytkentä ei ole itsestään välttämätöntä ilmavirtaohjaimissa. Kun kaara sammutetaan, se luonnostaan luo jotakin vastusta, joka auttaa säätelemään väliaikaista uudelleen syttyvässä jännitteessä. Jos kuitenkin lisävastus arvioidaan hyödylliseksi tietyissä sovelluksissa, se voidaan lisätä yhdistämällä vastus kaaren splitteriosion yli. Tämä lisävastus tarjoaa ylimääräisen kerroksen kontrollia jännitetapahtumalle, parantamalla ohjauslaitoksen suorituskykyä tietyissä olosuhteissa.

Ilmavirtaohjaimien haitat

Yksi ilmavirtaohjaimien tärkeimmistä rajoituksista on tiukka vaatimus jatkuvasta tiivistetystä ilmahengityksestä tarkasti määritetyllä paineella. Tämän saatavuuden varmistamiseksi tarvitaan usein suuria asennuksia, joihin kuuluu yleensä kaksi tai useampi kompressoori. Tämän monimutkaisen kompressointiaseman ylläpito ei ole pieni tehtävä; se vaatii säännöllistä hoitoa pitääkseen kompressoreiden toimivan tehokkaasti ja ratkaistakseen mahdolliset mekaaniset ongelmat, jotka saattavat ilmetä.

Lisäksi putkiliitosissa esiintyvät ilmanpilkkujen vuodot ovat jatkuva ongelma. Jopa pienet vuodot voivat asteittain heikentää ilmanpainetta, vaarantamalla ohjauslaitoksen suorituskyvyn. Nämä vuodot löytäminen ja korjaaminen voi olla aikaa vievää ja työlästä. Näiden huoltova