Przerzutniki powietrzne: działanie, zalety i rodzaje

Przerzutnik powietrzny wykorzystuje sprężone powietrze lub gaz jako medium do gaszenia łuku. Sprężone powietrze jest przechowywane w zbiorniku i, gdy jest potrzebne, uwalniane przez dyszę, aby wytworzyć strumień o wysokiej prędkości. Ten strumień odgrywa kluczową rolę w gaszeniu łuku, który powstaje, gdy przerzutnik przerywa prąd elektryczny.

Przerzutniki powietrzne są powszechnie stosowane w instalacjach wewnętrznych dla napięć średnio-wysokich z umiarkowaną pojemnością przecinającą. Zazwyczaj są one odpowiednie dla napięć do 15 kV i pojemności przecinającej 2500 MVA. Ponadto są teraz używane w wysokonapięciowych stacjach rozdzielczych na zewnątrz dla linii 220 kV.

Chociaż różne gazy, takie jak dwutlenek węgla, azot, freon lub wodór, mogą potencjalnie służyć jako media do gaszenia łuku, sprężone powietrze stało się preferowanym wyborem dla przerzutników gazowych. Istnieje kilka przekonujących powodów:

• Azot: Jego możliwości przecinania obwodów są porównywalne z tymi sprężonego powietrza, nie oferując znaczących korzyści pod względem wydajności.

• Dwutlenek węgla: Jednym z jego głównych wad jest trudność w kontrolowaniu jego przepływu. Ma tendencję do zamarzania w zaworach i innych wąskich przejściach, co może zakłócać prawidłowe działanie przerzutnika.

• Freon: Choć ma wysoką siłę dielektryczną i doskonałe właściwości gaszenia łuku, jest bardzo drogi. Ponadto, pod wpływem łuku rozpadają się na kwasotwórcze elementy, co stanowi zagrożenie dla sprzętu i otoczenia.

Przerzutniki powietrzne oferują wiele pożądanych cech:

• Szybkie działanie: W dużych sieciach elektrycznych utrzymanie stabilności systemu jest najwyższej wagi. Przerzutniki powietrzne wyróżniają się w tym zakresie dzięki bardzo krótkiemu czasowi między wyzwoleniem impulsu a rozdzieleniem kontaktów. Ta szybka reakcja pomaga minimalizować wpływ uszkodzeń na ogólną sieć elektryczną.

• Odpowiedniość do częstego działania: W przeciwieństwie do przerzutników olejowych, które mogą szybko węglować i degradować się przy wielokrotnym przełączaniu, przerzutniki powietrzne mogą wytrzymać częste działanie. Brak oleju oznacza również minimalne zużycie powierzchni kontaktowych nośniczych prądu. Jednakże, należy zapewnić ciągłe i wystarczające zaopatrzenie w sprężone powietrze, gdy spodziewa się częstego przełączania.

• Zaniedbywalna konserwacja: Możliwość łatwego radzenia sobie z wielokrotnym przełączaniem przekłada się na zmniejszone wymagania konserwacyjne. To nie tylko oszczędza na kosztach konserwacji, ale także zwiększa niezawodność i dostępność przerzutnika.

• Eliminacja ryzyka pożaru: Ponieważ przerzutniki powietrzne nie zawierają oleju, ryzyko pożaru związane z olejowymi przerzutnikami jest całkowicie eliminowane, co czyni je bezpieczniejszym rozwiązaniem dla instalacji elektrycznych.

• Zmniejszony rozmiar: Szybki wzrost siły dielektrycznej w przerzutnikach powietrznych pozwala na znacznie mniejszą końcową szczelinę potrzebną do zgaszenia łuku. Ta kompaktowa konstrukcja prowadzi do mniejszych urządzeń, które mogą być łatwiej integrowane w systemy elektryczne i zajmują mniej miejsca.

Zasada gaszenia łuku

Przerzutnik powietrzny polega na dodatkowym systemie sprężonego powietrza, który dostarcza powietrze do zbiornika. Gdy przerzutnik musi się otworzyć, sprężone powietrze jest skierowane do komory gaszenia łuku. To wysokie ciśnienie powietrza wywiera siłę na poruszające się kontakty, powodując ich rozdzielenie. Gdy kontakty rozchodzą się, strumień powietrza zmywa jonizowany gaz utworzony przez łuk, skutecznie go gasząc.

Łuk jest zwykle gaszony w ciągu jednego lub więcej cykli. Po zgaszeniu łuku, komora łuku jest wypełniona sprężonym powietrzem, co pomaga zapobiegać ponownemu zapłonowi. Przerzutniki powietrzne należą do kategorii typu zewnętrznej energii gaszącej. Energia wykorzystywana do gaszenia łuku pochodzi ze sprężonego powietrza, niezależnie od prądu, który jest przerywany.

Rodzaje przerzutników powietrznych

Wszystkie przerzutniki powietrzne działają na zasadzie rozdzielenia swoich kontaktów w strumieniu powietrza tworzącym łuk, poprzez otwarcie zaworu. Powstający łuk jest szybko skierowany przez dyszę, gdzie utrzymywany jest na stałą długość i poddawany maksymalnej sile strumienia powietrza. Na podstawie kierunku strumienia sprężonego powietrza wokół kontaktów, przerzutniki powietrzne można podzielić na trzy rodzaje:

• Przerzutnik powietrzny z przepływem osiowym: W tym rodzaju, strumień powietrza jest równoległy do łuku, płynąc długitudynalnie wzdłuż jego długości. Przerzutniki powietrzne z przepływem osiowym mogą być dalej podzielone na pojedynczy lub podwójny przepływ. Niektóre układy podwójnego przepływu, gdzie strumień powietrza płynie promieniście do dyszy lub przestrzeni między kontaktami, są czasami nazywane przerzutnikami z przepływem promienistym, mimo że podstawowym koncepcyjnym projektem jest przepływ osiowy.

Podstawowa struktura i działanie przerzutnika powietrznego są przedstawione na powyższym rysunku. W normalnych warunkach pracy stałe i poruszające się kontakty pozostają zamknięte, utrzymywane przez siłę wywieraną przez sprężyny. Zbiornik powietrza jest połączony z komorą łuku poprzez zawór powietrza. Ten zawór jest aktywowany przez mechanizm trójimpulsowy, który uruchamia jego otwarcie, gdy wystąpi awaria lub konieczność przerwania prądu.

Gdy w systemie elektrycznym wystąpi awaria, impuls wyzwalający służy jako katalizator działania. Ten impuls aktywuje zawór powietrza łączący zbiornik powietrza z komorą łuku, powodując jego otwarcie. Kiedy wysokociśnieniowe powietrze z zbiornika wpływa do komory łuku, wywiera znaczną siłę na poruszające się kontakty. Gdy ciśnienie powietrza przekracza opór wywierany przez siłę sprężyny, która normalnie utrzymuje kontakty zamknięte, poruszające się kontakty zaczynają się rozdzielać, rozpoczynając proces przerwania prądu elektrycznego i gaszenia łuku.

Gdy kontakty rozdzielają się pod wpływem ciśnienia wysokoprędkowego powietrza, powstaje łuk między nimi. Powietrze, płynące z wysoką prędkością osiowo wzdłuż długości łuku, efektywnie usuwa ciepło z jego obrzeży. Gdy prąd zbliża się do zera, to ciągłe usuwanie ciepła powoduje, że średnica łuku znacznie maleje. W momencie, gdy prąd osiąga zero, łuk jest pomyślnie przerwany. Następnie, świeże powietrze, płynące przez dyszę, wypełnia przestrzeń między kontaktami. Ten przepływ świeżego powietrza usuwa gorące, jonizowane gazy obecne w przestrzeni kontaktowej, szybko przywracając siłę dielektryczną między kontaktami i zapobiegając potencjalnemu ponownemu zapłonowi łuku.

Przerzutnik powietrzny z przepływem poprzecznym

W przerzutniku powietrznym z przepływem poprzecznym, mechanizm gaszenia łuku działa inaczej. Tutaj, strumień powietrza jest skierowany prostopadle do łuku. Poniższy rysunek przedstawia schematyczną ilustrację zasady przepływu poprzecznego stosowaną w tym rodzaju przerzutnika. Gdy ramię poruszającego się kontaktu jest uruchomione w ograniczonej przestrzeni, powstaje łuk. Natychmiast, poprzeczny strumień powietrza wypycha ten łuk w kierunku płyt dzielących. Płyty dzielące fragmentują łuk na mniejsze części, rozpraszając jego energię. Ten proces efektywnie osłabia łuk do tego stopnia, że po przepływie prądu przez zero, brakuje mu energii do ponownego zapłonu, zapewniając pomyślne przerwanie obwodu elektrycznego.

Przeliczanie oporności i wady przerzutników powietrznych

Przeliczanie oporności

Typowo, przeliczanie oporności nie jest absolutną koniecznością w przerzutnikach powietrznych. Gdy łuk jest gaszony, naturalnie tworzy pewną oporność, która pomaga regulować chwilowe napięcie restrikcji. Jednak, jeśli dodatkowa oporność jest uważana za korzystną dla określonych zastosowań, może być włączona poprzez połączenie rezystora w poprzek sekcji dzielącej łuk. Ta dodatkowa oporność zapewnia dodatkową warstwę kontroli nad chwilowym napięciem, zwiększając wydajność przerzutnika w określonych warunkach.

Wady przerzutników powietrznych

Jednym z głównych ograniczeń przerzutników powietrznych jest surowe wymaganie ciągłego zaopatrzenia w sprężone powietrze o dokładnym ciśnieniu. Aby zapewnić tę dostępność, często potrzebne są duże instalacje, zazwyczaj wyposażone w dwa lub więcej sprężarek. Utrzymanie tej skomplikowanej instalacji sprężarkowej nie jest łatwe; wymaga regularnej pielęgnacji, aby sprężarki działały wydajnie i by rozwiązywać wszelkie problemy mechaniczne, które mogą wystąpić.

Ponadto, przecieki powietrza w przewodach są trwale problematyczne. Nawet małe przecieki mogą stopniowo zdejmować ciśnienie powietrza, narażając przerzutnik na obniżenie wydajności. Wykrywanie i naprawianie tych przecieków może być czasochłonne i pracochłonne. Te wyzwania konserwacyjne, w połączeniu z potrzebą zaawansowanego systemu zaopatrzenia w powietrze, przyczyniają się do wyższych kosztów operacyjnych.

W porównaniu do przerzutników olejowych lub innych typów przerzutników powietrznych, przerzutniki powietrzne są szczególnie drogie dla zastosowań niskiego napięcia. Ekstensywna infrastruktura wymagana do generowania sprężonego powietrza i związane z nią koszty konserwacji sprawiają, że są mniej ekonomiczne w scenariuszach, w których występują niższe napięcia, ograniczając ich szerokie zastosowanie w takich kontekstach.