Luftbryterer: Drift, Fordeler og Typer

En luftbryter bruker komprimert luft eller gass som bueavbrytende medium. Komprimert luft lagres i en tank, og når det er nødvendig, slippes den ut gjennom en sprøyte for å generere et strøm av høy hastighet. Denne strømmen spiller en viktig rolle i å slukke bua som dannes når strømbryteren avbryter elektrisk strøm.

Luftbrytere brukes ofte for innendørs applikasjoner i mellomhøy spenning med middels avbrytningskapasitet. Vanligvis er de egnet for spenninger opp til 15 kV og avbrytningskapasiteter på 2500 MVA. I tillegg brukes de nå i høy spenning utendørs switchyarder for 220 kV linjer.

Selv om ulike gasser som karbondioksid, nitrogen, freon eller hydrogen potensielt kan brukes som bueavbrytende media, har komprimert luft blitt foretrukket valg for gassbrytere. Det er flere overbevisende grunner for dette:

• Nitrogen: Dets sirkuitsbrytningskapasiteter er sammenlignbare med de av komprimert luft, uten betydelig fordel i ytelse.

• Karbondioksid: En av de største ulemper er vanskeligheten i å kontrollere dens strøm. Den har en tendens til å fryse ved ventilene og andre smale passasjer, noe som kan forstyrre riktig funksjon hos strømbryteren.

• Freon: Selv om den har høy dielektrisk styrke og gode buetilintetgjøringsegenskaper, kommer den med en høy pris. I tillegg, når den er utsatt for en bue, dekomponerer den seg til syreformende elementer, noe som stiller risiko for utstyr og omgivelsene.

Luftbrytere tilbyr flere ønskede egenskaper:

• Høyhastighetsdrift: I store sammenkoblede elektriske nettverk er det av stor viktighet å opprettholde systemstabilitet. Luftbrytere utmerker seg i denne henseenden på grunn av den ekstremt korte tidsintervallet mellom utløsningen av utløsende impulsen og separasjonen av kontaktene. Denne raske reaksjonen bidrar til å minimere effekten av feil på det totale elektriske nettverket.

• Egnet for hyppig drift: I motsetning til oljebrytere, som kan raskt karbonisere og forverres med repeterende skifte, kan luftbrytere takle hyppig drift. Fraværet av olje betyr også at det er minimal slitasje på strømførende kontaktflater. Imidlertid er det viktig å sikre en kontinuerlig og tilstrekkelig levering av komprimert luft når hyppig skifte forventes.

• Forneklig vedlikehold: Evnen til å håndtere repeterende skifte med letthet oversetter seg til reduserte vedlikeholdsbehov. Dette ikke bare sparer på vedlikeholdsutgifter, men øker også påliteligheten og tilgjengeligheten til strømbryteren.

• Eliminering av brannfare: Siden luftbrytere ikke inneholder olje, elimineres risikoen for brann knyttet til olje-fylte strømbrytere, noe som gjør dem til et tryggere valg for elektriske installasjoner.

• Redusert størrelse: Den raske veksten i dielektrisk styrke i luftbrytere tillater en mye mindre sluttfest for buetilintetgjøring. Denne kompakte designet resulterer i mindre enheter, som kan mer lett integreres i elektriske systemer og okkuperer mindre plass.

Prinsipp for buetilintetgjøring

En luftbryter avhenger av et ekstra system for komprimert luft for å levere luft til luftreservoaren. Når strømbryteren må åpnes, rettes komprimert luft inn i buetilintetgjøringskammeret. Denne høytrykkluften utøver en kraft på de bevegelige kontaktene, som fører til at de separeres. Som kontaktene skiller seg, sveiper luftstrålen unna ionisert gass dannet av bua, og slukker den effektivt.

Bua blir vanligvis slukket innen ett eller flere sykluser. Etter buetilintetgjøring fylles bukammeret med høytrykkluft, noe som hjelper til å forhindre genoppladning. Luftbrytere faller under kategorien eksternt utløsningsenergi. Energien som brukes for å kvæse bua, kommer fra høytrykkluften, uavhengig av den avbrudte strømmen.

Typer luftbrytere

Alle luftbrytere fungerer etter prinsippet om å separate deres kontakter i en buedannende luftstrøm opprettet ved åpning av en sprøyte. Bua som dannes, blir raskt sentrert gjennom en sprøyte, hvor den holdes på en fast lengde og utsatt for maksimal kraft av luftstrømmen. Basert på retningen av komprimert luftstrålen rundt kontaktene, kan luftbrytere klassifiseres i tre typer:

• Aksiell bryter: I denne typen er luftstrømmen parallel med bua, flyter langsitudinelt langs dens lengde. Aksielle luftbrytere kan videre kategoriseres som enkel-sprøyte eller dobbel-sprøyte. Noen dobbel-sprøyteoppsett, der luftstrålen flyter radielt inn i sprøyten eller rommet mellom kontaktene, refereres noen ganger til som radielle brytere, til tross for det primære aksielle strømningsdesignkonseptet.

Den fundamentale strukturen og drift av en luftbryter illustreres i figuren ovenfor. Under normale driftsforhold forbli de faste og bevegelige kontaktene i en lukket tilstand, holdt sammen av kraften utøvet av fjederer. En luftreservoartank er koblet til bukammeret via en luftventil. Denne ventilen aktiveres av et trippelimpulsmekanisme, som utløser dennes åpning når en feil eller behov for å avbryte strømmen oppstår.

Når en feil oppstår i elektrisk system, fungerer utløsende impulsen som katalysator for handling. Denne impulsen aktiverer luftventilen som kobler luftreservoaret til bukammeret, og åpner den. Da høytrykkluft fra reservoaret rusler inn i bukammeret, utøver den en betydelig kraft på de bevegelige kontaktene. Når lufttrykket overstiger motstanden gitt av fjederkraften som normalt holder kontaktene lukket, begynner de bevegelige kontaktene å separate, og initiere prosessen med å avbryte elektrisk strøm og slukke bua.

Når kontaktene separerer seg på grunn av presset fra høyhastighetsluft, dannes en bue mellom dem. Luften, som flyter med høy hastighet aksielt langs buens lengde, fjerner effektivt varme fra buens periferi. Som strømmen nærmer seg null, fører denne jevne varmefjerning til at buens diameter krymper betydelig. I det øyeblikket da strømmen når null, blir bua vellykket avbrutt. Deretter fyller frisk luft, strømmende gjennom sprøyten, rommet mellom kontaktene. Denne luftstrømmen fjerner varme, ioniserte gasser som var til stede i kontaktrommet, og gjenoppretter raskt dielektrisk styrke mellom kontaktene, og forebygger eventuelle genoppladning av bua.

Tværblåst luftbryter

I en tværblåst luftbryter fungerer mekanismen for buetilintetgjøring annerledes. Her rettes buedannelsesblåsten vinkelrett på bua selv. Figuren nedenfor gir en skematisk illustrasjon av tværblåstprinsippet som benyttes i denne typen strømbryter. Når den bevegelige kontaktarmen aktiveres i et begrenset rom, dannes en bue. Umiddelbart propeller en tværblåst av luft denne bua mot splitterplate. Splitterplatene fragmenterer bua i mindre deler, dissiperer energien. Dette effektivt svakner bua til et punkt der, etter at strømmen passerer null, den mangler energi til å genopplade, og sikrer vellykket avbryting av elektrisk sirkuit.

Motstandslysning og ulemper ved luftbrytere

Motstandslysning

Vanligvis er motstandslysning ikke en absolutt nødvendighet i luftbrytere. Når bua kvæses, skaper den inngående noen motstand, som hjelper til å regulere den transiente genoppladningspanningen. Hvis ytterligere motstand ansees som nyttig for spesielle applikasjoner, kan den inkluderes ved å koble en motstand på tværs av buesplitterseksjonen. Denne tilføyde motstanden gir et ekstra lag kontroll over spenningsoverslag, og forbedrer strømbryterens ytelse under visse forhold.

Ulemper ved luftbrytere

En av de største begrensningene ved luftbrytere er den streng kravet om en kontinuerlig levering av komprimert luft med nøyaktig trykk. For å sikre denne tilgjengeligheten, er ofte store installasjoner nødvendige, typisk med to eller flere kompressorer. Vedlikehold av denne komplekse komprimeringsanlegget er ingen ringe oppgave; det krever regelmessig vedlikehold for å holde kompressorane i god drift og løse eventuelle mekaniske problemer som oppstår.

I tillegg er luftlekkasje ved rørsammenstillinger et vedvarende problem. Selv mindre lekkasjer kan gradvis uttømme lufttrykket, noe som forringar strømbryterens ytelse. Det å oppdage og rette opp disse lekkasjene kan være tidskrevende og arbeidskrevende. Disse vedlikeholdsutfordringene, kombinert med behovet for et sofistikert luftleveringssystem, bidrar til høyere driftskostnader.

Når det sammenlignes med olje eller andre typer luftbrytere, er luftbrytere spesielt dyre for lavspenningsapplikasjoner. Den omfattende infrastrukturen som kreves for komprimert luftgenerering og de assosierte vedlikeholdskostnadene, gjør dem mindre kostnadseffektive i situasjoner der lavere spenninger er involvert, noe som begrenser deres bredere bruk i slike kontekster.