Luchtdrukonderbrekers: Werking, Voordelen en Types

Een luchtdrukonderbreker maakt gebruik van gecomprimeerde lucht of gas als boogonderbrekend medium. Gecomprimeerde lucht wordt opgeslagen in een tank en, wanneer nodig, vrijgegeven door een mondstuk om een hoge snelheidsstraal te genereren. Deze straal speelt een cruciale rol bij het doven van de boog die ontstaat wanneer de onderbreker de elektrische stroom onderbreekt.

Luchtdrukonderbrekers worden vaak gebruikt voor binnenapplicaties in het middel- tot hoogspanningsbereik met middelmatige onderbrekingscapaciteiten. Ze zijn meestal geschikt voor spanningen tot 15 kV en onderbrekingscapaciteiten van 2500 MVA. Daarnaast worden ze nu ook gebruikt in hoge-spanningsbuitenschakelstations voor lijnen van 220 kV.

Hoewel verschillende gassen zoals kooldioxide, stikstof, freon of waterstof potentieel kunnen dienen als boogonderbrekende media, is gecomprimeerde lucht de voorkeurste keuze geworden voor gasdrukonderbrekers. Er zijn verschillende overtuigende redenen voor dit:

• Stikstof: De onderbrekingscapaciteiten zijn vergelijkbaar met die van gecomprimeerde lucht, wat geen significant voordeel biedt qua prestaties.

• Kooldioxide: Een van de belangrijkste nadelen is de moeilijkheid om de stroom ervan te controleren. Het heeft de neiging om te bevriezen bij kleppen en andere smalle doorgangen, waardoor de juiste werking van de onderbreker verstoord kan worden.

• Freon: Hoewel het een hoge dielectrische sterkte en uitstekende boogdovende eigenschappen heeft, komt het met een hoge prijskaart. Bovendien ontleedt het bij blootstelling aan een boog tot zuurvormende elementen, wat risico's vormt voor de apparatuur en de omgeving.

Luchtdrukonderbrekers bieden verschillende wenselijke kenmerken:

• Hoogtempowerking: In grote verbonden elektriciteitsnetwerken is het handhaven van systeemstabiliteit van groot belang. Luchtdrukonderbrekers excelleren hierin vanwege de uiterst korte tijdsinterval tussen de afname van de activeringsimpuls en de scheiding van de contacten. Dit snelle reactievermogen helpt bij het minimaliseren van de impact van storingen op het gehele elektriciteitsnetwerk.

• Geschikt voor Vervreemd Operation: In tegenstelling tot olieonderbrekers, die snel kunnen verkolen en verslijten bij herhaald schakelen, kunnen luchtdrukonderbrekers frequent gebruik verdragen. Het ontbreken van olie betekent ook dat er minimaal slijtage optreedt op de stroomvoerende contactoppervlakken. Het is echter essentieel om een continue en voldoende voorziening van gecomprimeerde lucht te garanderen bij verwacht frequent schakelen.

• Minimale Onderhoud: Het vermogen om herhaald schakelen gemakkelijk te hanteren leidt tot verminderde onderhoudseisen. Dit bespaart niet alleen op onderhoudskosten, maar verhoogt ook de betrouwbaarheid en beschikbaarheid van de onderbreker.

• Eliminatie van Brandgevaar: Aangezien luchtdrukonderbrekers geen olie bevatten, wordt het brandgevaar dat gepaard gaat met oliegevulde onderbrekers volledig geëlimineerd, waardoor ze een veiliger optie vormen voor elektrische installaties.

• Verkleinde Afmetingen: De snelle groei van de dielectrische sterkte in luchtdrukonderbrekers zorgt voor een veel kleinere eindafstand die nodig is voor boogextinctie. Dit compacte ontwerp resulteert in kleiner gevormde apparaten, die gemakkelijker in elektrische systemen geïntegreerd kunnen worden en minder ruimte innemen.

Principe van Boogextinctie

Een luchtdrukonderbreker maakt gebruik van een extra systeem van gecomprimeerde lucht om lucht aan te voeren naar de luchtopnemer. Wanneer de onderbreker moet openen, wordt gecomprimeerde lucht geleid naar de boogextinctiekamer. Deze hogedruk lucht oefent kracht uit op de bewegende contacten, waardoor ze zich scheiden. Terwijl de contacten zich losmaken, veegt de luchtdruk de geïoniseerde gassen die door de boog zijn gevormd weg, waardoor deze effectief gedoofd wordt.

De boog wordt meestal binnen één of meer cycli gedoofd. Na de boogextinctie wordt de boogkamer gevuld met hogedruk lucht, wat helpt om restrikes te voorkomen. Luchtdrukonderbrekers vallen onder de categorie externe extinguishing energietype. De energie die gebruikt wordt voor het doven van de boog wordt afkomstig van de hogedruk lucht, onafhankelijk van de onderbroken stroom.

Types van Luchtdrukonderbrekers

Alle luchtdrukonderbrekers werken op het principe van het scheiden van hun contacten in een boogvormende luchtstroom die wordt gecreëerd door het openen van een blaasventiel. De boog die ontstaat, wordt snel gecentreerd via een mondstuk, waar hij op een vaste lengte wordt gehouden en blootgesteld aan de maximale kracht van de luchtstroom. Op basis van de richting van de gecomprimeerde luchtstroom rond de contacten, kunnen luchtdrukonderbrekers ingedeeld worden in drie types:

• Axiale Blaas Luchtonderbreker: Bij dit type is de luchtstroom parallel aan de boog, stromend langs de lengte ervan. Axiale blaas luchtonderbrekers kunnen verder ingedeeld worden als single-blaas of double-blaas. Sommige double-blaas configuraties, waarbij de luchtstroom radiaal het mondstuk of de ruimte tussen de contacten in stroomt, worden soms radial blaas onderbrekers genoemd, ondanks het primaire axiale stroomprincipe.

De fundamentele structuur en werking van een luchtdrukonderbreker staan in de bovenstaande illustratie weergegeven. Onder normale bedrijfsomstandigheden blijven de vaste en bewegende contacten in een gesloten toestand, bij elkaar gehouden door de kracht die door veren wordt uitgeoefend. Een luchtopslagtank is verbonden met de boogkamer via een luchtventiel. Dit ventiel wordt geactiveerd door een drievoudig impulsmechanisme, dat het opent wanneer een fout of de noodzaak om de stroom te onderbreken ontstaat.

Wanneer een fout optreedt in het elektriciteitsnetwerk, dient de tripimpuls als katalysator voor actie. Deze impuls activeert het luchtventiel dat de luchtopslagtank met de boogkamer verbindt, waardoor het opent. Wanneer de hogedruk lucht uit de tank de boogkamer binnenstroomt, oefent deze een aanzienlijke kracht uit op de bewegende contacten. Zodra de luchtdruk de weerstand overtreft die wordt geboden door de veerkraft die normaal de contacten gesloten houdt, beginnen de bewegende contacten zich te scheiden, waarmee het proces van het onderbreken van de elektrische stroom en het doven van de boog begint.

Wanneer de contacten zich scheiden door de druk van de hoge snelheidslucht, ontstaat er een boog tussen hen. De lucht, die met hoge snelheid axiaal langs de lengte van de boog stroomt, verwijdert effectief warmte van de randen van de boog. Terwijl de stroom naderbij nul komt, veroorzaakt dit continue warmteverlies een aanzienlijke verkleining van de diameter van de boog. Op het moment dat de stroom nul bereikt, wordt de boog succesvol onderbroken. Vervolgens vult verse lucht, die door het mondstuk stroomt, de ruimte tussen de contacten. Deze stroom van verse lucht verwijdert de hete, geïoniseerde gassen die aanwezig waren in de contactruimte, waardoor de dielectrische sterkte tussen de contacten snel hersteld wordt en eventuele heraansteking van de boog voorkomt.

Kruis Blaas Luchtonderbreker

Bij een kruisblaas luchtonderbreker werkt het boogdovende mechanisme anders. Hier wordt de boogblaas loodrecht op de boog zelf gericht. De figuur hieronder geeft een schematische illustratie van het kruisblaasprincipe dat in dit type onderbreker wordt toegepast. Wanneer de bewegende contactarm wordt geactiveerd in een beperkte ruimte, wordt een boog gegenereerd. Onmiddellijk daarna stuwt een dwarse blaas de boog richting de splittersplaten. De splittersplaten breken de boog op in kleinere segmenten, waardoor de energie ervan wordt afgevoerd. Dit proces verzwakt de boog effectief tot het punt dat, na het passeren van nul, het de energie mist om te herstarten, waardoor de succesvolle onderbreking van het elektrische circuit wordt gegarandeerd.

Weerstands Schakeling en Nadelen van Luchtdrukonderbrekers

Weerstands Schakeling

Typisch is weerstands schakeling geen absolute noodzaak in luchtdrukonderbrekers. Wanneer de boog wordt gedoofd, creëert deze inherent enige weerstand, wat helpt bij het reguleren van de tijdelijke herstartspanning. Als echter extra weerstand als nuttig wordt beschouwd voor specifieke toepassingen, kan dit worden toegevoegd door een weerstand over de boogsplitssectie te verbinden. Deze toegevoegde weerstand biedt een extra laag controle over de spanningspiek, waardoor de prestaties van de onderbreker onder bepaalde omstandigheden worden verbeterd.

Nadelen van Luchtdrukonderbrekers

Een van de belangrijkste beperkingen van luchtdrukonderbrekers is de strikte vereiste voor een continue voorziening van gecomprimeerde lucht op de exacte druk. Om deze beschikbaarheid te waarborgen, zijn vaak grote installaties nodig, meestal met twee of meer compressoren. Het onderhouden van deze complexe compressie-installatie is geen sinecure; het vereist regelmatig onderhoud om de compressoren efficiënt te laten draaien en om eventuele mechanische problemen te verhelpen.

Bovendien is luchtlekken aan buisverbindingen een blijvend probleem. Zelfs kleine lekken kunnen geleidelijk de luchtdruk doen dalen, waardoor de prestaties van de onderbreker worden aangetast. Het detecteren en verhelpen van deze lekken kan tijdrovend en arbeidsintensief zijn. Deze onderhoudsuitdagingen, gecombineerd met de noodzaak voor een geavanceerd luchtvoorzieningssysteem, dragen bij aan hogere operationele kosten.

In vergelijking met olie of andere soorten luchtonderbrekers zijn luchtdrukonderbrekers bijzonder duur voor lage-spanningsapplicaties. De uitgebreide infrastructuur die nodig is voor de productie van gecomprimeerde lucht en de bijbehorende onderhoudskosten maken ze minder kosteneffectief in scenario's waar lagere spanningen worden betrokken, waardoor hun algemene toepassing in dergelijke contexten beperkt is.