Légáram-körzárók: Működés, előnyök és típusai

A légáram-körzáró tömörített levegőt vagy gázt használ az ív megszakítására. A tömörített levegő egy tartályban van tárolva, és szükség esetén csapból engedik ki, hogy magas sebességű nyílt léggödröt hozzanak létre. Ez a nyílt léggödör kulcsszerepet játszik az ív kialsításában, amely akkor alakul ki, amikor a körzáró megszakítja az áramot.

A légáram-körzárókat gyakran belső alkalmazásokhoz használják közepes-magasságú feszültségi tartományban közepes töréskapacitással. Általában alkalmasak 15 kV-ig terjedő feszültségekre és 2500 MVA töréskapacitásra. Ezen felül most már használják 220 kV-os külső villamosító telepeken is.

Bár különböző gázok, mint például a szén-dioxid, a nitrogén, a freon vagy a hidrogén potenciálisan használhatók ívmelegítő médiumként, a tömörített levegő választék lett a gázáram-körzáróknál. Erre több meggyőző oka is van:

• Nitrogén: Körzárókapacitása hasonló a tömörített levegővel, nincs jelentős előny teljesítményben.

• Szén-dioxid: Egyik fő hátránya, hogy folyamának ellenőrzése nehéz. Hajlamos fagyani a csapoknál és más szűk áthaladásoknál, ami zavarba hozhatja a körzáró megfelelő működését.

• Freon: Bár nagy dielektrikus erősséggel és kiváló ívkioltó tulajdonságokkal rendelkezik, drágább. Továbbá, ha ívnél van expozíció, savformáló elemekre bomlik, ami kockázatot jelent az eszközök és a környezet számára.

A légáram-körzárók több kívánt tulajdonságot is kínálnak:

• Gyors működés: A nagy, összekapcsolt villamos hálózatokban a rendszer stabilitásának fenntartása legfontosabb. A légáram-körzárók ebben kimagaslóan jól teljesítenek, mivel a kiváltó impulzus kilövésének és a kapcsolópontok elválasztásának időköze rendkívül rövid. Ez a gyors reakció segít minimalizálni a hibák hatását az egész villamos hálózaton.

• Gyakori működéshez való alkalmasság: Ellentétben az olajhasználó körzárókkal, amelyek gyorsan karbonizálódnak és romlanak ismétlődő kapcsolással, a légáram-körzárók kiválóan kezelhetik a gyakori működést. Az olaj hiánya azt is jelenti, hogy minimális az ártható felületek súlyosodása. Ugyanakkor fontos, hogy a gyakori kapcsolás esetén folyamatos és elégséges a tömörített levegő ellátása.

• Elhanyagolható karbantartás: A képeségük, hogy könnyen kezeljék az ismétlődő kapcsolást, csökkenti a karbantartási igényeket. Ez nem csak a karbantartási költségeket csökkenti, de javítja a körzáró megbízhatóságát és rendelkezésre állását is.

• Tűzveszély megszüntetése: Mivel a légáram-körzárók nem tartalmaznak olajot, a teli olajú körzárókkal összefüggő tűzveszély teljesen megszűnik, ami biztonságosabbá teszi őket a villamos telepek számára.

• Kisebb méret: A légáram-körzárókben a dielektrikus erősség gyors növekedése lehetővé teszi, hogy sokkal kisebb a végleges rész, amire az ív kialsításához szükség van. Ez a kompakt tervezés kisebb méretű eszközöket eredményez, amelyek könnyebben integrálhatók a villamos rendszerekbe és kevesebb helyet foglalnak el.

Az ív kialsításának elve

A légáram-körzáró egy további tömörített levegőrendszerre támaszkodik, amely levegőt szolgáltat a levegőfogadónak. Amikor a körzáró meg kell nyitnia, a tömörített levegőt az ív kialsítási kamrába irányítják. Ez a magas nyomású levegő erőt gyakorol a mozgó kapcsolópontra, ami miatt azok elválaszodnak. Ahogy a kapcsolópontok elválaszodnak, a légbárdúsítás elviszi az ív által képzett ionizált gázt, így hatékonyan kialsítva azt.

Az ív általában egy vagy több cikluson belül kialszik. Az ív kialsítása után a kamrába magas nyomású levegő tölti, ami segít megelőzni a visszaütöket. A légáram-körzárók a külső kialsító energia típusa alatt esnek. Az ív kialsításához használt energia a magas nyomású levegőből származik, függetlenül attól, hogy milyen áramot szakítanak meg.

Légáram-körzárók típusai

Minden légáram-körzáró ugyanarra az elvre épít, hogy a kapcsolópontjait egy ívet formáló léggödörben, egy bárdócspont megnyitásával válassza el. Az alakuló ív gyorsan középre helyezi a csapból, ahol rögzített hosszúságra tartja, és a léggödör maximális erejének alá veti. A tömörített levegőbárdúsítás irányától függően a légáram-körzárók három típusba oszthatók:

• Axialis bárdúsítású légáram-körzáró: Ebben a típusban a léggödör párhuzamos az ívvel, hosszirányban halad. Az axialis bárdúsítású légáram-körzárók tovább oszthatók egybárdúsítású és kétbárdúsítású típusokra. Néhány kétbárdúsítású elrendezés, ahol a légbárdúsítás radiálisan halad a csapba vagy a kapcsolópontok között, néha radiális bárdúsítású körzárónak nevezik, ellenére a főbb axialis-bárdúsítású elvnek.

A légáram-körzáró alapvető szerkezetét és működését a fenti ábra illusztrálja. Normál működési állapotban a rögzített és a mozgó kapcsolópontok zárt állapotban maradnak, rugók által kifejtett erővel tartva össze. Egy levegőtartály kapcsolódik az ívkamrához egy levegőcsap segítségével. Ez a csap egy háromimpulzusú mechanizmus által aktiválódik, amely a hiba vagy az áram megszakításakor indítja be a nyitást.

Amikor a villamos rendszerben hiba történik, a tripplő impulzus a művelet indítója. Ez az impulzus aktiválja a levegőcsapot, amely a levegőtartályt az ívkamrával összekapcsolja, és megnyitja. Ahogy a magas nyomású levegő a tartályból beáramlik az ívkamrába, jelentős erőt gyakorol a mozgó kapcsolópontokra. Amikor a levegőnyomás meghaladja a rugóerő ellenállását, amely normál esetben a kapcsolópontokat zárt állapotban tartja, a mozgó kapcsolópontok elkezdenek elválaszodni, megindítva az áram megszakításának és az ív kialsításának folyamatát.

Amikor a kapcsolópontok a magas sebességű levegő nyomásának hatására elválaszodnak, az ív alakul ki közöttük. A levegő, amely magas sebességgel halad az ív hosszirányában, hatékonyan eltávolítja a hőt az ív pereméről. Ahogy az áram nullához közelít, ez a folyamatos hőtávolítás jelentősen csökkenti az ív átmérőjét. A pillanat, amikor az áram nullára csökken, az ív sikeresen megszakad. Ezt követően friss levegő, a csapból áramló, kitölti a kapcsolópontok közötti térét. Ez a friss levegő áramlás eltávolítja a forró, ionizált gázt a kapcsolópontok között, gyorsan visszaállítva a dielektrikus erősséget a kapcsolópontok között, és megelőzi az ív lehetséges újra-utánzódását.

Transzverzális bárdúsítású légáram-körzáró

Egy transzverzális bárdúsítású légáram-körzáróban az ív kialsító mechanizmusa másképp működik. Itt az ívbárdúsítás merőleges az ívre. Az alábbi ábra szemlélteti a transzverzális bárdúsítás elvét ebben a körzáróban. Amikor a mozgó kapcsolókar rögzített térben aktív, ív alakul ki. Azonnal egy átfogó légbárdúsítás elviszi ezt az ívet a szétdarabolólapok felé. A szétdarabolólapok az ívet kisebb részekre darabolják, elosztva annak energiáját. Ez a folyamat hatékonyan gyengíti az ívet, és amikor az áram nullára csökken, az ívnek nincs energia újra-utánzódni, garantálva a villamos áram megszakításának sikeres végrehajtását.

Ellenállással történő kapcsolás és a légáram-körzárók hátrányai

Ellenállással történő kapcsolás

Általában, az ellenállással történő kapcsolás nem abszolút szükséges a légáram-körzáróknál. Amikor az ív kialsít, természetesen ellenállást hoz létre, ami segít szabályozni a tranzient visszaütő feszültséget. Ha azonban további ellenállás előnyös adott alkalmazásokhoz, beépíthető egy ellenállás az ívszétdaraboló szakaszba. Ez a hozzáadott ellenállás további vezérlést nyújt a feszültség-tranziensek felett, javítva a körzáró teljesítményét bizonyos feltételek mellett.

A légáram-körzárók hátrányai

A légáram-körzárók egyik fő korlátozása, hogy szigorúan szükséges a pontos nyomású tömörített levegő folyamatos ellátása. Ennek biztosításához nagy léptékű berendezések szükségesek, általában két vagy több tömörítőgéppel. Ez a komplex tömörítőüzem fenntartása nem kis feladat, szükséges rendszeres karbantartás a tömörítőgépek hatékony működésének és bármilyen mechanikai problémák kezelésének érdekében.

Továbbá, a csatlakozókban lévő levegőszivárgás állandó probléma. Még a kis szivárgás is lassan lemerítheti a levegőnyomást, ami a körzáró teljesítményét veszélyezteti. Ezeknek a szivárgásoknak a felismerése és kijavítása időigényes és munkaintenzív tevékenység. Ezek a karbantartási kihívások, kombinálva a szophisticált levegőellátó rendszerrel, hozzájárulnak a magasabb működési költségekhez.

Összehasonlítva az olaj- vagy más légáram-körzárókkal, a légáram-körzárók különösen drágák a alacsony feszültségű alkalmazásoknál. A tömörített levegő előállításához szükséges széles infrastruktúra és a hozzá kapcsolódó karbantartási költségek miatt kevésbé költséghatékonynak bizonyulnak alacsony feszültségű forgalmazásban, korlátozva ezzel a széles körű alkalmazásukat ilyen környezetekben.