Zračni prekidnici: Funkcija prednosti i vrste

Zračni prekidnik koristi stlačeni zrak ili plin kao sredstvo za prekid luku. Stlačeni zrak je pohranjen u spremniku, a kada je potreban, ispuštan je kroz cević kako bi se generirao jet visoke brzine. Taj jet igra ključnu ulogu u ugasi luku koja nastaje kada prekidnik prekida električni tok.

Zračni prekidnici često se koriste za unutarnje primjene u srednjem i visokom naponu s srednjim kapacitetima prekida. Obično su prikladni za napone do 15 kV i kapacitete prekida od 2500 MVA. Također se sada koriste u visokonaponskim vanjskim switchyard-ima za linije od 220 kV.

Iako različiti plinovi poput ugljičnog dioksida, dušika, freona ili vodika mogu služiti kao sredstva za prekid luke, stlačeni zrak postao je omiljena opcija za plinske prekidnike. Postoji nekoliko uvjerljivih razloga za to:

• Dušik: Njegove sposobnosti prekida kruga su slične onima stlačenog zraka, ne nude značajne prednosti u smislu performansi.

• Ugljični dioksid: Jedan od njegovih glavnih nedostataka je teškoća kontroliranja njegovog toka. On ima tendenciju da se zaledi na ventili i drugim uskim putanjama, što može narušiti pravilno funkcioniranje prekidnika.

• Freon: Iako posjeduje visoku dielektričku čvrstoću i izvrsne osobine u gašenju luke, donosi visoku cijenu. Nadalje, kada je izložen luki, raspadaju se na elemente koji formiraju kiseline, što predstavlja rizik za opremu i okoliš.

Zračni prekidnici nude nekoliko željenih značajki:

• Brza operacija: U velikim međusobno povezanim električnim mrežama, održavanje stabilnosti sustava je izuzetno važno. Zračni prekidnici se ističu po tome jer je vrijeme između ispaljivanja impulsne struje i odvajanja kontakata izuzetno kratko. Ova brza reakcija pomaže u smanjenju uticaja grešaka na ukupnu električnu mrežu.

• Prikladnost za čestu upotrebu: Na suprotnosti sa prekidnicima koji koriste ulje, koje se brzo ugljičira i degradira s ponovljenim prebacivanjem, zračni prekidnici mogu podnijeti čestu upotrebu. Odsustvo ulja također znači minimalnu abraziju površina nosača struje. Međutim, nužno je osigurati kontinuiranu i dovoljnu dobavljanje stlačenog zraka kada se očekuje česta promjena stanja.

• Zanemariva održavanje: Mogućnost lakog rukovanja s ponovljenim prebacivanjem rezultira smanjenim zahtjevima za održavanjem. To ne samo što štedi troškove održavanja, već unapređuje pouzdanost i dostupnost prekidnika.

• Eliminacija rizika od požara: Budući da zračni prekidnici ne sadrže ulje, rizik od požara povezan s uljnim prekidnicima potpuno se eliminira, što ih čini sigurnijom opcijom za električne instalacije.

• Smanjena veličina: Brzi rast dielektrične čvrstoće u zračnim prekidnicima omogućuje puno manju konačnu razmaknuću potrebnu za ugasi luku. Ovaj kompaktni dizajn rezultira manjim uređajima, koji se lakše mogu integrirati u električne sustave i zauzimaju manje prostora.

Princip gašenja luke

Zračni prekidnik koristi dodatni sustav stlačenog zraka za dobavljanje zraka u zračni spremnik. Kada prekidnik treba otvoriti, stlačeni zrak upućuje se u komoru za gašenje luke. Ovaj zrak visokog tlaka djeluje silom na pokretne kontakte, uzrokujući njihovo odvajanje. Dok se kontakti odvajaju, zračni jet oduzima ionizirani plin nastali luka, efektivno ga gašući.

Luka obično se ugasi unutar jednog ili više ciklusa. Nakon ugasi luke, komora za luku ispunjava se zrakom visokog tlaka, što pomaže u sprečavanju restrikesa. Zračni prekidnici spadaju u kategoriju tipa vanjske energije za gašenje. Energija koristena za ugasi luku potječe od zraka visokog tlaka, neovisno o prekidanoj strujnom toku.

Vrste zračnih prekidnika

Svi zračni prekidnici funkcioniraju na principu odvajanja svojih kontakata u zračnom toku koji stvara otvaranjem ventilatora. Luka koja nastaje brzo se centrirana kroz cević, gdje se održava na fiksnoj duljini i podvrgava maksimalnoj sili zračnog toka. Temeljeno na smjeru stlačenog zračnog jeta oko kontakata, zračni prekidnici mogu se klasificirati u tri vrste:

• Axialni zračni prekidnik: U ovom tipu, zračni tok je paralelan lukom, teče duž njegove duljine. Axialni zračni prekidnici mogu biti dalje kategorizirani kao jednoblastni ili dvoblastni. Neki dvoblastni sustavi, gdje zračni jet teče radijalno u cević ili prostor između kontakata, ponekad se nazivaju radijalni zračni prekidnici, iako je glavni koncept axialnog toka.

Osnovna struktura i rad zračnog prekidnika prikazani su na gornjoj shemi. Pri normalnim radnim uvjetima, fiksni i pokretni kontakti ostaju u zatvorenom stanju, držani zajedno silom koju izvode opruge. Spremnik za zrak povezan je s lukom komorom preko zračnog ventilatora. Ovaj ventil aktivira se trostrukim impulsnim mehanizmom, koji pokreće njegovo otvaranje kada se pojavi greška ili potreba za prekidom struje.

Kada se dogodi greška u električnom sustavu, impulsi za prekid služe kao katalizator za akciju. Ovaj impulsi aktivira zračni ventil koji povezuje spremnik za zrak s lukom komorom, uzrokujući njegovo otvaranje. Kada visokotlačni zrak iz spremnika ubrzano teče u lukom komoru, djeluje značajnom silom na pokretne kontakte. Kada zračni tlak premaši otpor pružen silom opruge koja normalno drži kontakte zatvorene, pokretne kontakte počinju se odvajati, započinjući proces prekida električne struje i ugasi luke.

Kada se kontakte odvajaju zbog tlaka visokobrzog zraka, nastaje luka između njih. Zrak, koji teče visokom brzinom axijalno duž duljine luke, učinkovito uklanja toplinu s periferije luke. Kako se struja približava nuli, ovo kontinuirano uklanjanje topline uzrokuje značajno smanjenje promjera luke. U trenutku kada struja doseže nulu, luka je uspješno prekinuta. Zatim, novi zrak, koji teče kroz cević, ispunjava prostor između kontakata. Ovaj tok novog zraka očišćuje vruće, ionizirane plinove koji su bili prisutni u prostoru između kontakata, brzo obnavlja dielektričnu čvrstoću između kontakata i sprečava bilo kakvu moguću re-igniciju luke.

Prijelazni zračni prekidnik

U prijelaznom zračnom prekidniku, mehanizam za gašenje luke funkcionira drugačije. Ovdje, prijelazni zračni jet usmjerava se okomito na samu luku. Slika ispod daje shemu prijelaznog principa korištenog u ovom tipu prekidnika. Kada se pokretno rameno kontakta aktivira u ograničenom prostoru, nastaje luka. Odmah, transverzalni jet zraka propeli ovu luku prema splitter platnama. Splitter platne fragmentiraju luku na manje segmente, disipirajući njenu energiju. Ovaj proces učinkovito oslabljuje luku do te mjere, da nakon prolaska struje kroz nulu, nedostaje joj energija za restrike, osiguravajući uspješan prekid električnog kruga.

Prekidanje otpora i nedostaci zračnih prekidnika

Prekidanje otpora

Obično, prekidanje otpora nije apsolutna nužnost u zračnim prekidnicima. Kada se luka ugasi, ona inhereentno stvara neki otpor, što pomaže u regulaciji privremene restriking napona. Međutim, ako se dodatni otpor smatra korisnim za određene primjene, može se uključiti povezivanjem otpornika preko arc splitter dijela. Ovaj dodani otpor pruža dodatnu razinu kontrole nad privremenim naponom, poboljšavajući performanse prekidnika u određenim uvjetima.

Nedostaci zračnih prekidnika

Jedan od glavnih ograničenja zračnih prekidnika je strogi zahtjev za kontinuiranom dobavljanjem stlačenog zraka na preciznom tlaku. Da bi se osigurala ova dostupnost, često su potrebne velike instalacije, obično s dva ili više kompresora. Održavanje ove složene kompresorske postrojbe nije malo posla; zahtijeva redovito održavanje kako bi se kompresori održavali učinkovito i riješili bilo kakvi mehanički problemi koji se mogu pojaviti.

Također, propuštanje zraka na cijevnim spojevima je stalni problem. Čak i manje propusnje može postepeno iscrpiti tlak zraka, kompromitirajući performanse prekidnika. Detektiranje i ispravljanje ovih propusnji može biti vremenski i trudno zahtjevno. Ovi održavanja izazovi, kombinirani s potrebom za sofisticiranim sustavom za dobavljanje zraka, doprinose većim operativnim troškovima.

U usporedbi s uljnim ili drugim tipovima zračnih prekidnika, zračni prekidnici su posebno skupi za niskonaponske primjene. Ekstenzivna infrastruktura potrebna za proizvodnju stlačenog zraka i povezani troškovi održavanja čine ih manje ekonomičnim u scenarijima gdje su uključeni niži naponi, ograničavajući njihovu široku upotrebu u takvim kontekstima.