Hava Patlatmalı Devre Kesiciler: İşleme, Avantajları ve Türleri

Bir hava patlatmalı devre kesicisi, yayıcı ortam olarak sıkıştırılmış hava veya gaz kullanır. Sıkıştırılmış hava bir tankta saklanır ve gerekli olduğunda bir nozuldan geçirilerek yüksek hızlı bir jet oluşturur. Bu jet, devre kesicinin elektrik akımını keserken oluşan arkı söndürmede kritik bir rol oynar.

Hava patlatmalı devre kesicileri, orta-yüksek gerilim aralığında ve orta kopma kapasiteleri ile genellikle kapalı alan uygulamalarında kullanılır. Genellikle, 15 kV'ye kadar voltajlar ve 2500 MVA kopma kapasitesi için uygunlardır. Ayrıca, şimdi 220 kV hatları için açık alan yüksek gerilim anahtarlama merkezlerinde de kullanılmaktadırlar.

Karbon dioksit, azot, freon veya hidrojen gibi çeşitli gazlar potansiyel olarak arkı kesen medya olarak kullanılabilir, ancak sıkıştırılmış hava, gaz patlatmalı devre kesicileri için tercih edilen seçeneğe dönüşmüştür. Bunun birkaç ikna edici nedeni vardır:

• Azot: Sıkıştırılmış havanın devre kesme yetenekleriyle karşılaştırılabilir, performans açısından herhangi bir önemli avantaja sahip değildir.

• Karbon Dioksit: Önemli dezavantajlarından biri, akışını kontrol etmenin zorluğudur. Valfler ve diğer dar geçişlerde donma eğilimindedir, bu da devre kesicinin düzgün çalışmasını bozabilir.

• Freon: Yüksek dielektrik dayanımı ve mükemmel ark söndürme özellikleri ile öne çıkmaktadır, ancak oldukça pahalıdır. Ayrıca, ark maruz kalınca asit oluşturan elementlere ayrılır, bu da ekipman ve çevreye riskler taşır.

Hava patlatmalı devre kesicileri birçok istenen özelliği sunar:

• Yüksek Hızlı İşlem: Büyük bağlantılı elektrik ağlarında sistem istikrarının korunması en büyük önemdedir. Hava patlatmalı devre kesiciler, tetikleme dürtüsü serbest bırakıldığında ve kontakların ayrılmasındaki son derece kısa zaman aralığı nedeniyle bu konuda çok iyi performans gösterir. Bu hızlı yanıt, arızaların tüm elektrik şebekesi üzerindeki etkisini minimize eder.

• Sık Kullanım Uygunluğu: Yağ kullanan devre kesicilerin aksine, tekrarlanan anahtarlama işlemlerinde hızlı karbonlaşma ve bozulma olan hava patlatmalı devre kesicileri, sık kullanım durumlarını kolayca atlatır. Yağın olmaması, akım taşıyan kontak yüzeylerinde minimum aşınmayı sağlar. Ancak, sık anahtarlama bekleniyorsa, sürekli ve yeterli sıkıştırılmış hava tedarikinin sağlanması önemlidir.

• Nedensiz Bakım: Tekrarlanan anahtarlamanın kolaylıkla atlatılması, bakım gerekliliklerini azaltır. Bu, bakım maliyetlerini tasarruf eder ve aynı zamanda devre kesicinin güvenilirliğini ve kullanılabilirliğini artırır.

• Yangın Riskinin Yok Edilmesi: Hava patlatmalı devre kesiciler yağ içermediği için, yağ dolu devre kesicilerle ilişkili yangın riski tamamen ortadan kaldırılır, bu da onları elektrik kurulumları için daha güvenli bir seçenek haline getirir.

• Düşük Boyut: Hava patlatmalı devre kesicilerinde dielektrik gücün hızlı büyümesi, arkı söndürmek için gereken son boşluğun çok daha küçük olmasını sağlar. Bu kompakt tasarım, daha küçük cihazları mümkün kılar, bu da elektrik sistemlerine daha kolay entegre edilebilir ve daha az yer kaplamalarını sağlar.

Ark Söndürme Prensibi

Bir hava patlatmalı devre kesicisi, hava alıcısına hava tedarik etmek için ek bir sıkıştırılmış hava sistemine bağımlıdır. Devre kesicinin açılması gerektiğinde, sıkıştırılmış hava ark söndürme odasına yönlendirilir. Bu yüksek basınçlı hava, hareketli kontaklara bir kuvvet uygular, onları ayırarak harekete geçirir. Kontaklar ayrılmaya başladıkça, hava patlaması, ark tarafından oluşturulan iyonlaşmış gazı süpürüp, etkili bir şekilde söndürür.

Ark genellikle bir veya daha fazla döngü içinde söndürülür. Ark söndürdükten sonra, ark odası yüksek basınçlı hava ile doldurulur, bu da yeniden ateşlenmeyi önler. Hava patlatmalı devre kesiciler, dış söndürme enerjisi türüne girer. Arka söndürme için kullanılan enerji, kesilen akımın bağımsız olarak yüksek basınçlı hava kaynaklanır.

Hava Patlatmalı Devre Kesicilerin Türleri

Tüm hava patlatmalı devre kesiciler, patlama valfinin açılmasıyla oluşturulmuş bir ark oluşum hava akışında kontaklarını ayırmaya dayalı prensipte çalışır. Oluşan ark, bir nozuldan hızlı bir şekilde merkezi hale getirilir, burada sabit bir uzunlukta tutulur ve hava akışının maksimum kuvvetine maruz kalır. Hareketli kontakların etrafındaki sıkıştırılmış hava patlamasının yönüne göre, hava patlatmalı devre kesiciler üç türe ayrılabilir:

• Eksenel Patlama Hava Devre Kesicisi: Bu türde, hava akışı arka paraleldir ve uzunluğu boyunca longitudinal olarak akar. Eksenel patlama hava devre kesicileri, tek patlama veya çift patlama olarak sınıflandırılabilir. Bazı çift patlama düzenlerinde, hava patlaması nozul içine veya kontaklar arasındaki boşluğa radyal olarak akar, temel eksen akış tasarım kavramına rağmen bazen radyal patlama devre kesicisi olarak adlandırılır.

Hava patlatmalı devre kesicisinin temel yapısı ve işlemi yukarıdaki diyagramda gösterilmiştir. Normal çalışma koşullarında, sabit ve hareketli kontaklar, yaylar tarafından üretilen kuvvet sayesinde kapalı bir haldedir. Bir hava rezervuarı, bir hava valfi aracılığıyla ark odasına bağlanmıştır. Bu valf, bir hata veya akım kesme ihtiyacı olduğunda açılan üçlü dürtü mekanizması tarafından tetiklenir.

Elektrik sisteminde bir hata oluştuğunda, tetikleme dürtüsü harekete geçme katalizörüdür. Bu dürtü, hava rezervuarını ark odasına bağlayan hava valfini aktive eder ve onu açar. Rezervuardan çıkan yüksek basınçlı hava, ark odasına doğru hızla ilerler ve hareketli kontaklara önemli bir kuvvet uygular. Hava basıncı, normalde kontakların kapalı tutulmasına yardımcı olan yay kuvvetinden daha yüksek olduğunda, hareketli kontaklar ayrılmaya başlar, böylece elektrik akımını kesme ve arayı söndürme süreci başlar.

Hareketli kontaklar, yüksek hızlı hava baskısı nedeniyle ayrıldığında, kontaklar arasında bir ark oluşur. Hava, arkin uzunluğu boyunca aksial olarak yüksek hızda akarak, arkin periferisinden ısıyı etkili bir şekilde çıkarır. Akım sıfıra yaklaşırken, bu sürekli ısı çıkarma, arkin çapını önemli ölçüde küçültür. Akım sıfıra ulaştığı anda, ark başarıyla kesilir. Daha sonra, yeni hava, nozuldan akan, kontaklar arasındaki boşluğu doldurur. Bu yeni hava akışı, kontaklar arasındaki sıcak, iyonlaşmış gazları temizleyerek, kontaklar arasındaki dielektrik gücünü hızla geri yükler ve arkin yeniden ateşlenmesini önler.

Yatay Patlama Hava Devre Kesicisi

Yatay patlama hava devre kesicisinde, ark söndürme mekanizması farklı bir şekilde çalışır. Burada, ark patlaması arka dik olarak yönlendirilir. Aşağıdaki şekil, bu tip devre kesicide kullanılan yatay patlama prensibinin şematik bir gösterimini sağlar. Hareketli kontak kolu, kısıtlı bir alanda hareket ettirildiğinde, bir ark oluşur. Hemen ardından, bir yatay hava patlaması, bu arki bölücü plakalarına doğru iter. Bölücü plakalar, arki daha küçük parçalara böler ve enerjisini dağıtır. Bu süreç, arki etkili bir şekilde zayıflatır, böylece akım sıfırdan geçtikten sonra, yeniden ateşlemek için yeterli enerjisini kaybeder, bu da elektrik devresinin başarılı bir şekilde kesilmesini sağlar.

Direnç Anahtarlama ve Hava Patlatmalı Devre Kesicilerinin Dezavantajları

Direnç Anahtarlama

Genellikle, hava patlatmalı devre kesicilerinde direnç anahtarlama mutlak bir gereklilik değildir. Ark söndürüldüğünde, doğal olarak bazı direnç oluşturur, bu da geçici yeniden ateşleme gerilimini düzenler. Ancak, belirli uygulamalar için ekstra direnç faydalı görüldüğünde, ark bölücü bölümüne bir direnç bağlayarak dahil edilebilir. Bu ekstra direnç, gerilim geçişini daha fazla kontrol ederek, belirli koşullar altında devre kesicinin performansını artırır.

Hava Patlatmalı Devre Kesicilerinin Dezavantajları

Hava patlatmalı devre kesicilerin en büyük sınırlamalarından biri, hassas bir basınçta sürekli sıkıştırılmış hava tedarikinin gerekliliğidir. Bu kullanılabilirliği sağlamak için, genellikle iki veya daha fazla kompresör içeren geniş ölçekli kurulumlar gerekir. Bu karmaşık kompresyon tesisinin bakımı, kompresörlerin verimli çalışmasını sağlamak ve ortaya çıkan herhangi bir mekanik sorunu çözmek için düzenli bakım gerektirir.

Ayrıca, boru bağlantılarında hava sızıntısı sürekli bir sorundur. Hatta küçük sızıntılar bile, hava basıncını yavaş yavaş azaltarak devre kesicinin performansını tehlikeye atabilir. Bu sızıntıları tespit etmek ve düzeltmek, zaman alıcı ve iş gücü yoğun bir işlemdir. Bu bakım zorlukları, karmaşık bir hava tedarik sistemi gerekliliği ile birlikte, işletme maliyetlerini artırmaktadır.

Yağ veya diğer hava kırıcı devre kesicileriyle karşılaştırıldığında, hava patlatmalı devre kesiciler düşük gerilim uygulamaları için özellikle pahalıdır. Sıkıştırılmış hava üretimine ve bununla ilişkili bakım masraflarına ihtiyaç duyulan geniş altyapı, düşük gerilimlerle ilgili senaryolarda daha az maliyetli olmayan bu tür devre kesicilerin yaygın kullanımını sınırlamaktadır.