Luftbaserade strömbrytare: Funktionalitet, fördelar och typer

En luftbaserad strömbrytare använder komprimerad luft eller gas som bågavbrottsmedium. Komprimerad luft lagras i en tank och släpps ut genom en munstycke när det behövs för att generera en höghastighetsstråle. Denna stråle spelar en viktig roll vid att släcka den båge som bildas när strömbrytaren avbryter strömmen.

Luftbaserade strömbrytare används ofta inomhus för medelhögspänningsapplikationer med medelstora avbrottskapaciteter. De är vanligtvis lämpliga för spänningar upp till 15 kV och avbrottskapaciteter på 2500 MVA. Dessutom används de nu också i högspänningsutemiljöer för 220 kV-ledningar.

Även om olika gaser som koldioxid, kväve, freon eller väte kan potentiellt fungera som bågavbrottsmedier har komprimerad luft blivit det föredragna valet för gasbaserade strömbrytare. Det finns flera övertygande skäl för detta:

• Kväve: Dess brytkapaciteter är jämförbara med de av komprimerad luft, vilket ger ingen betydande fördel vad gäller prestanda.

• Koldioxid: En av dess stora nackdelar är svårigheten att kontrollera dess flöde. Den har en tendens att frysa vid ventiler och andra smala passager, vilket kan störa strömbrytarens korrekta funktionalitet.

• Freon: Även om det har hög dielektrisk styrka och utmärkta egenskaper för bågavbrott är priset högt. Dessutom delar sig freon under exponering mot en båge i syrebildande ämnen, vilket kan utgöra risker för utrustningen och omgivningen.

Luftbaserade strömbrytare erbjuder flera önskvärda egenskaper:

• Höghastighetsfunktionalitet: I stora sammanlänkade elnät är systemets stabilitet av yttersta vikt. Luftbaserade strömbrytare utmärker sig i detta avseende tack vare den extremt korta tiden mellan utlösning och kontaktavskiljning. Denna snabba respons hjälper till att minimera felens inverkan på det totala elnätet.

• Lämplighet för frekventa operationer: Till skillnad från oliebaserade strömbrytare, som kan karbonisera och degenerera snabbt vid upprepade kopplingar, kan luftbaserade strömbrytare klara av frekventa operationer. Saknaden av olja innebär också minimal nötning på strömförande kontaktytor. Det är dock viktigt att säkerställa en kontinuerlig och tillräcklig tillförsel av komprimerad luft vid förväntade frekventa kopplingar.

• Försumbar underhåll: Förmågan att hantera upprepade kopplingar med lätthet översätts till minskade underhållskrav. Detta sparar inte bara på underhållskostnader utan ökar också tillförlitligheten och tillgängligheten hos strömbrytaren.

• Eliminering av brandrisk: Eftersom luftbaserade strömbrytare inte innehåller olja elimineras risken för brand associerad med oljebaserade strömbrytare, vilket gör dem till ett säkrare alternativ för elektriska installationer.

• Minskad storlek: Den snabba tillväxten av dielektrisk styrka i luftbaserade strömbrytare möjliggör en mycket mindre slutgiltig gap för bågavbrott. Denna kompakta design resulterar i mindre enheter, som kan integreras mer lätt i elkraftsystem och ta upp mindre plats.

Princip för bågavbrott

En luftbaserad strömbrytare beror på ett extra system för komprimerad luft för att tillföra luft till luftreservoaren. När strömbrytaren behöver öppnas dirigeras komprimerad luft in i bågavbrottskammaren. Denna högtrycksluft utövar en kraft på de rörliga kontaktfackorna, vilket orsakar att de separeras. När kontaktfackorna dras åt sidan sveps bågen bort av luftstrålen, vilket effektivt släcker den.

Bågen släcks vanligtvis inom en eller flera cykler. Efter bågavbrott fylls bågkammaren med högtrycksluft, vilket hjälper till att förhindra restrikes. Luftbaserade strömbrytare faller inom kategorin extern avbrottsenergi. Energin som används för att släcka bågen hämtas från högtrycksluften, oberoende av den avbrottsström som avbryts.

Typer av luftbaserade strömbrytare

Alla luftbaserade strömbrytare fungerar enligt principen att separera sina kontakter i en bågbildande luftflöde skapat genom att öppna en detonationsventil. Den bildade bågen centrerar snabbt genom en munstycke, där den hålls vid en fast längd och utsätts för den maximala kraften av luftflödet. Baserat på riktningen av det komprimerade luftflödet runt kontakterna kan luftbaserade strömbrytare indelas i tre typer:

• Axiala luftbaserade strömbrytare: I denna typ är luftflödet parallellt med bågen, flödar longitudinellt längs dess längd. Axiala luftbaserade strömbrytare kan vidare indelas som enskilda eller dubbla. Vissa dubbla konfigurationer, där luftflödet går radiellt in i munstycket eller mellan kontakterna, kallas ibland för radiella luftbaserade strömbrytare, trots den primära axiella flödeskonceptet.

Den grundläggande strukturen och funktionen för en luftbaserad strömbrytare illustreras i diagrammet ovan. Under normal drift hålls de fasta och rörliga kontakterna i en stängd position, hållen ihop av kraften från fjädrar. En luftreservoartank är ansluten till bågkammaren via en luftventil. Denna ventil aktiveras av en trippelimpulsmekanism, som utlöser dess öppning vid ett fel eller behov av att avbryta strömmen.

När ett fel uppstår i elkraftsystemet tjänar utlösningssignalen som katalysator för handling. Denna impuls aktiverar luftventilen som ansluter luftreservoaren till bågkammaren, vilket orsakar att den öppnas. När högtrycksluft från reservoaren rusar in i bågkammaren utövar den en betydande kraft på de rörliga kontakterna. När lufttrycket överstiger motståndet från fjädrarnas kraft, som normalt håller kontakterna stängda, börjar de rörliga kontakterna separera, vilket initierar processen att avbryta strömmen och släcka bågen.

När kontakterna separeras på grund av trycket från den höghastighetsluften bildas en båge mellan dem. Luften, som flödar med hög hastighet axiellt längs bågens längd, tar effektivt bort värme från bågens periferi. När strömmen närmar sig noll orsakar denna kontinuerliga värmeextraktion att bågens diameter minskar betydligt. I det ögonblick bågen når noll ström avbryts den framgångsrikt. Sedan fylls utrymmet mellan kontakterna med ny luft, som strömmar genom munstycket. Denna ström av ny luft rensar bort de heta, ioniserade gaserna som var närvarande i kontaktrummet, vilket snabbt återställer dielektriska egenskaper mellan kontakterna och förhindrar eventuella restrikes.

Tvärblåsande luftbaserade strömbrytare

I en tvärblåsande luftbaserad strömbrytare fungerar bågavbrottsmekanismen annorlunda. Här riktas bågblåsten vinkelrätt mot bågen. Figuren nedan visar en schematisk illustration av tvärblåsprincipen som används i denna typ av strömbrytare. När den rörliga kontaktramen aktiveras i ett begränsat utrymme genereras en båge. Omedelbart propellerar en transversal blåsning av luft denna båge mot splitterplattor. Splitterplattorna fragmenterar bågen i mindre segment, vilket sprider dess energi. Denna process svagar bågen så mycket att efter att strömmen passerat noll saknar den energi för att restrikta, vilket säkerställer framgångsrik avbrott av elkretsen.

Motståndskoppling och nackdelar med luftbaserade strömbrytare

Motståndskoppling

Vanligtvis är motståndskoppling inte en absolut nödvändighet i luftbaserade strömbrytare. När bågen släcks skapar den inbyggt viss resistans, vilket hjälper till att reglera den transienta restrike-volten. Om dock ytterligare resistans anses vara fördelaktig för specifika applikationer kan den inkluderas genom att ansluta en resistor över bågsplittersektionen. Denna tillagda resistans ger en extra lager av kontroll över volttillfällen, vilket förbättrar strömbrytarens prestanda under vissa förhållanden.

Nackdelar med luftbaserade strömbrytare

En av de stora begränsningarna för luftbaserade strömbrytare är det strikta kravet på en kontinuerlig tillförsel av komprimerad luft vid exakt tryck. För att säkerställa denna tillgänglighet krävs ofta storskaliga installationer, vanligtvis med två eller flera kompressorer. Att underhålla denna komplexa kompressionsanläggning är inget litet arbete; det kräver regelbundet underhåll för att hålla kompressorer fungerande effektivt och hantera eventuella mekaniska problem som kan uppstå.

Dessutom är luftläckage vid rörgrenar ett konstant problem. Även små läckor kan gradvis uttömma lufttrycket, vilket påverkar strömbrytarens prestanda. Att upptäcka och åtgärda dessa läckor kan vara tidskrävande och arbetskrävande. Dessa underhållsutmaningar, kombinerade med behovet av ett sofistikerat luftsystem, bidrar till högre driftskostnader.

När man jämför med olje- eller andra typer av luftbaserade strömbrytare är luftbaserade strömbrytare särskilt dyra för lågspänningsapplikationer. Den omfattande infrastrukturen för komprimerad luftgenerering och de associerade underhållskostnaderna gör dem mindre kostnadseffektiva i scenarier där lägre spänningar involveras, vilket begränsar deras allmänna användning i sådana sammanhang.