Zračni preklopniki: Delovanje, Prednosti in Vrste

Zračni preklopnik uporablja stlačen zrak ali plin kot sredstvo za prekinjanje luka. Stlačen zrak je shranjen v rezervoarju in, ko je potreben, izpuščen skozi ventil, ki ustvari visokohitrostni jet. Ta jet igra ključno vlogo pri ugasnjanju luke, ki nastane, ko preklopnik prekine električni tok.

Zračni preklopniki so pogosto uporabljani za notranje aplikacije v srednji do visoki napetostni razponi z srednjimi prekinitvenimi kapacitancami. Običajno so primerne za napetosti do 15 kV in prekinitvene kapacitance do 2500 MVA. Poleg tega so zdaj uporabljani tudi v visokonapetostnih zunanjih preklopnicah za linije na 220 kV.

Čeprav lahko kot sredstvo za prekinjanje luke služijo različni plini, kot so ogljikov dioksid, dušik, freon ali vodik, se je stlačen zrak izkazal za najboljšo izbiro za plinski preklopnik. Obstajajo nekaj prepričljivih razlogov za to:

• Dušik: Njegove sposobnosti prekinitve krive so primerljive s stlačenim zrakom, brez bistvene prednosti glede zmogljivosti.

• Ogljikov dioksid: Eden od glavnih pomanjkljivosti je težava pri kontroli njegovega pretoka. Imel bi tendenco, da se zamrzne na ventilih in drugih ozkih prehodih, kar bi lahko motilo pravilno delovanje preklopnika.

• Freon: Čeprav ima visoko dielektrično trdoto in odlične lastnosti za ugasnjanje luke, je zelo drag. Poleg tega, ko je izpostavljen luki, se razbije na elemente, ki tvorijo kisline, kar predstavlja tveganje za opremo in okolje.

Zračni preklopniki ponujajo več želenih lastnosti:

• Hitro delovanje: V velikih povezanih električnih omrežjih je ohranjanje stabilnosti sistema zelo pomembno. Zračni preklopniki se izstopajo v tem smislu zaradi zelo kratkega časovnega intervala med izpuščanjem spodbudnega impulsa in ločevanjem kontaktov. Ta hitra reakcija pomaga zmanjšati vpliv napak na celotno električno mrežo.

• Primeren za pogosto uporabo: Na razliko od preklopnikov, ki uporabljajo olje, ki se lahko hitro uglagodi in degradira z ponavljajočim preklopanjem, zračni preklopniki lahko obdržijo pogosto uporabo. Odsotnost olja pomeni, da je nosilna površina kontakta podvržena minimalnemu številu opadanj. Kljub temu je ključno, da se zagotovi zvezna in zadostna dobava stlačenega zraka, kadar je pričakovano pogosto preklopanje.

• Nenegibljiva vzdrževanja: Sposobnost, da lahko enostavno obvladujejo ponavljajoče preklopanje, se prevede v zmanjšano potrebo po vzdrževanju. To ne le zmanjša stroške vzdrževanja, ampak tudi poveča zanesljivost in dostopnost preklopnika.

• Odstranitev tveganja požara: Ker zračni preklopniki ne vsebujejo olja, je tveganje požara, povezanega z oljnimi preklopniki, popolnoma odstranjeno, kar jih čini varnejšo opcijo za električne namestitve.

• Manjša velikost: Hitro rast dielektrične trdoti v zračnih preklopnikih omogoča mnogo manjši končni koridor, ki je potreben za ugasnjanje luke. Ta kompaktna oblika prinese manjše naprave, ki se lažje integrirajo v električne sisteme in zasedajo manj prostora.

Načelo ugasnjanja luke

Zračni preklopnik se zanaša na dodatni sistem stlačenega zraka, ki poskrbi za zrak v sprejemniku. Ko preklopnik mora biti odprt, se stlačen zrak usmeri v komoro za ugasnjanje luke. Ta visokotlačni zrak izvaja silo na gibljeve kontakte, ki jih loči. Ko se kontakte ločijo, zračni jet odvaja joniziran plin, ki ga tvori luka, in jo učinkovito ugaša.

Luka je običajno ugasnjena v enem ali več ciklih. Po ugasnjanju luke je komora za luko napolnjena z visokotlačnim zrakom, ki pomaga preprečiti ponovno zapaljanje. Zračni preklopniki spadajo v kategorijo tipov z zunanjo energijo za ugasnjanje. Energijski vir za ugasnjanje luke izvirata iz visokotlačnega zraka, neodvisno od prekinjenega toka.

Vrste zračnih preklopnikov

Vsi zračni preklopniki delujejo na principu ločevanja svojih kontaktov v zračnem toku, ki ga ustvari odpiranje ventilnega ventila. Luka, ki se oblikuje, je hitro centrirana skozi ventil, kjer se ohranja fiksne dolžine in podvržena je maksimalni sili zračnega toka. Glede na smer stlačenega zračnega toka okoli kontaktov, se zračni preklopniki lahko razdelijo na tri vrste:

• Axial Blast Air Circuit Breaker: V tej vrsti je zračni tok vzporeden luki, teče longitudinalno po njeni dolžini. Axial blast zračni preklopniki se lahko nadalje razdelijo na enojni ali dvojni. Nekateri dvojni sistemi, kjer zračni tok teče radialno v ventil ali med kontakti, so občasno imenovani kot radial blast preklopniki, čeprav je osnovni koncept axial flow dizajna.

Osnovna struktura in delovanje zračnega preklopnika so prikazani na zgornjem diagramu. Pod normalnimi delovnimi pogoji ostanejo fiksni in giblji kontakti v zaprti stanji, držani skupaj z silo, ki jo izvajajo spirale. Rezervoar z zrakom je povezan s komoro za luko preko zračnega ventila. Ta ventil je aktiviran z trojnim impulznim mehanizmom, ki ga spusti, ko pride do napake ali potrebe za prekinitev toka.

Ko pride do napake v električnem sistemu, spustni impulz posreduje za akcijo. Ta impulz aktivira zračni ventil, ki povezuje rezervoar z zrakom s komoro za luko, kar povzroči njegovo odpiranje. Ko visokotlačni zrak iz rezervoarja teče v komoro za luko, izvaja značilno silo na gibljeve kontakte. Ko presežejo zračni tlak odpornost, ki jo zagotavlja sila spirale, ki običajno drži kontakte zaprte, se giblji kontakti začnejo ločevati, s čimer se začne postopek prekinitve električnega toka in ugasnjanja luke.

Ko se kontakte ločijo zaradi tlaka visokohitrostnega zraka, se med njimi oblikuje luka. Zrak, ki teče visoko hitrostno vzdolž dolžine luke, učinkovito odvaja toplotno energijo s periferije luke. Ko se tok približa nič, ta zvezno odvajanje toplote povzroči, da se premer luke značilno zmanjša. V trenutku, ko tok doseže nič, je luka uspešno prekinjena. Nato sega čist zrak skozi ventil, napolnjuje prostor med kontakti. Ta tok čistega zraka odvaja vroče, ionizirane pline, ki so bili prisotni v prostoru med kontakti, hiter povrnitev dielektrične trdote med kontakti in preprečuje morebitno ponovno zapaljanje luke.

Cross Blast Zračni Preklopnik

V cross blast zračnem preklopniku operira mehanizem za ugasnjanje luke drugače. Tukaj je zračni tok usmerjen pravokotno na luko. Spodnja shema prikazuje princip cross blast, ki se uporablja v tej vrsti preklopnika. Ko se giblji kontakt arm aktivira v omejenem prostoru, se oblikuje luka. Takoj po tem transverzalni zračni jet goni luko proti razdelovalnim tabam. Razdelovalne table razdelijo luko na manjše dele, s čimer razpršijo njeno energijo. Ta postopek učinkovito oslabi luko tako, da, ko tok preide skozi nič, nima dovolj energije, da bi se ponovno zapalila, s čimer zagotovi uspešno prekinitve električnega kruga.

Uporaba Upornika in Pomanjkljivosti Zračnih Preklopnikov

Uporaba Upornika

Običajno uporaba upornika ni apsolutna potreba v zračnih preklopnikih. Ko je luka ugasnjena, sama ustvarja neko upornost, ki pomaga regulirati prehodne restrikcijske napetosti. Vendar, če je dodatna upornost ugodna za specifične aplikacije, jo je mogoče vključiti z pomočjo upornika, povezanega na del upornika. Ta dodana upornost zagotavlja dodatno stopnjo kontrole nad prehodnimi napetostmi, kar izboljša delovanje preklopnika v določenih pogoji.

Pomanjkljivosti Zračnih Preklopnikov

Eden od glavnih omejevalcev zračnih preklopnikov je strogi zahteva za zvezno dobavo stlačenega zraka na točno tlak. Za zagotovitev te dostopnosti so pogosto potrebne velike instalacije, običajno s dvema ali več kompresorji. Održevanje tega kompleksnega kompresorskega parka ni majhen nalog; zahteva redno vzdrževanje, da bi se kompresorji učinkovito izvajali in obravnavali kakršnekoli mehanske težave, ki se lahko pojavijo.

Poleg tega je utrjevanje zraka na cevih stalni problem. Dobiček, ki bi ga lahko povzročile celo majhne utrjevanje, lahko zmanjša tlak zraka, kar ogroža delovanje preklopnika. Odkrivanje in popravljanje teh utrjevanj lahko traja čas in je trudno. Te težave vzdrževanja, skupaj s potrebo po sofisticiranem sistemu za dobavo zraka, prispeva k višjim operativnim stroškom.

Glede na oljne ali druge vrste zračnih preklopnikov so zračni preklopniki posebej dragi za nizkonapetostne aplikacije. Obsežna infrastruktura, potrebna za generiranje stlačenega zraka, in pripadajoči stroški vzdrževanja, jih čine manj ekonomskimi v situacijah, kjer so zadevane nižje napetosti, kar omejuje njihovo široko uporabo v takšnih kontekstih.