Пневматичні вимикачі: принцип роботи, переваги та типи

Пневматичний вимикач використовує стислий повітряний потік або газ як середовище для переривання дуги. Стислий повітряний потік зберігається у баку і, коли це необхідно, випускається через насадку для створення високоскоростного потоку. Цей потік грає ключову роль у гашенні дуги, що утворюється при перериванні електричного струму вимикачем.

Пневматичні вимикачі часто використовуються для внутрішніх застосувань у середньому та високому напруговому діапазоні з середніми розривними здатностями. Зазвичай вони підходять для напруг до 15 кВ та розривних здатностей до 2500 МВА. Крім того, вони тепер використовуються в високонапругових зовнішніх комутаційних спорудах для ліній 220 кВ.

Хоча різні гази, такі як двоокис вуглецю, азот, фреон або водень, можуть потенційно служити як середовища для переривання дуги, стислий повітряний потік виявився найбільш поширеним вибором для пневматичних вимикачів. Існує кілька вагомих причин для цього:

• Азот: Його розривні здатності схожі на здатності стислого повітря, не надаючи значної переваги в плані продуктивності.

• Двоокис вуглецю: Одна з його основних недоліків полягає у складності контролю потоку. Він має згинаючу змогу замерзати на клапанах та інших вузьких проходах, що може порушити правильне функціонування вимикача.

• Фреон: Хоча він має високу диелектричну стійкість та відмінні властивості гашення дуги, він коштує дорого. Більше того, при впливі дуги він розпадається на елементи, що формують кислоту, що становить загрозу для обладнання та навколишнього середовища.

Пневматичні вимикачі мають кілька бажаних характеристик:

• Швидке функціонування: У великих взаємопов'язаних електричних мережах, збереження стабільності системи має найвищий пріоритет. Пневматичні вимикачі відрізняються в цьому відношенні завдяки надзвичайно короткому часовому інтервалу між випуском імпульсу запуску та розділенням контактів. Ця швидка реакція допомагає мінімізувати вплив дефектів на загальну електричну мережу.

• Придатність для частого використання: На відміну від вимикачів, що використовують масло, яке може швидко карбонізуватися та вироджуватися при повторному переключенні, пневматичні вимикачі можуть витримувати часте використання. Відсутність масла також означає, що втрата матеріалу на поверхнях, що проводять струм, мінімальна. Проте, важливо забезпечити постійне та достатнє надходження стислого повітря при очікуванні частого переключення.

• Невелика потреба у технічному обслуговуванні: Здатність легко витримувати повторне переключення перетворюється в зменшену потребу у технічному обслуговуванні. Це не лише економить на витратах на обслуговування, але й підвищує надійність та доступність вимикача.

• Виключення ризику пожежі: Оскільки пневматичні вимикачі не містять масла, ризик пожежі, пов'язаний з масляними вимикачами, повністю виключається, що робить їх безпечнішим варіантом для електричних встановлень.

• Зменшення розмірів: Швидкий ріст диелектричної стійкості в пневматичних вимикачах дозволяє мати набагато меншу кінцеву щілину, необхідну для гашення дуги. Цей компактний дизайн призводить до менших розмірів пристроїв, які можна легше інтегрувати в електричні системи та займають менше простору.

Принцип гашення дуги

Пневматичний вимикач спирається на додаткову систему стислого повітря для поставки повітря до приймача. Коли вимикач потрібно відкрити, стислий повітряний потік направляється до камери гашення дуги. Цей високотисковий повітряний потік відправляє силу на рухомі контакти, що призводить до їхнього розділення. Коли контакти розходяться, повітряний потік зметає іонізований газ, утворений дугою, ефективно гасячи її.

Дуга зазвичай гаситься протягом одного або декількох циклів. Після гашення дуги, камера гашення дуги заповнюється високотисковим повітрям, що допомагає запобігти повторному згорянню. Пневматичні вимикачі належать до категорії зовнішньої енергії для гашення. Енергія, використовувана для гашення дуги, отримується від високотискового повітря, незалежно від перериваного струму.

Типи пневматичних вимикачів

Усі пневматичні вимикачі працюють на принципі розділення своїх контактів у потоці повітря, що формує дугу, створеному відкриттям клапану. Дуга, що утворюється, швидко центрується через насадку, де вона зберігається на сталій довжині та піддається максимальної сили повітряного потоку. Залежно від напрямку стислого повітряного потоку навколо контактів, пневматичні вимикачі можна розподілити на три типи:

• Аксіальний пневматичний вимикач: У цьому типі, потік повітря паралельний дузі, протікаючи довжиною вздовж неї. Аксіальні пневматичні вимикачі можна поділити на однократні та подвійні. Деякі подвійні конфігурації, де повітряний потік протікає радіально в насадку або простір між контактами, іноді називаються радіальними пневматичними вимикачами, хоча основна концепція дизайну передбачає аксіальний потік.

Основна конструкція та функціонування пневматичного вимикача показані на малюнку вище. У нормальних умовах роботи, фіксовані та рухомі контакти знаходяться у закритому стані, тримані разом за допомогою сили, яку створюють пружини. Бак-резервуар для повітря з'єднаний з камерою дуги через повітряний клапан. Цей клапан активується трьохімпульсним механізмом, який викликає його відкриття при виникненні дефекту або потреби переривання струму.

Коли в електричній системі виникає дефект, імпульс відключення служить катализатором для дії. Цей імпульс активує повітряний клапан, який з'єднує резервуар з повітрям з камерою дуги, призводячи до його відкриття. Коли високотисковий повітряний потік з резервуара поступає в камеру дуги, він відправляє значну силу на рухомі контакти. Коли тиск повітря перевищує опір, наданий пружинною силою, яка зазвичай тримає контакти закритими, рухомі контакти починають розділятися, ініціюючи процес переривання електричного струму та гашення дуги.

Коли контакти розділяються через тиск високоскоростного повітря, дуга утворюється між ними. Повітря, що протікає на високій швидкості аксіально вздовж довжини дуги, ефективно відводить тепло від периферії дуги. Коли струм підходить до нуля, цей постійний відток тепла призводить до значного зменшення діаметра дуги. У момент, коли струм досягає нуля, дуга успішно переривається. Потім, свіже повітря, що протікає через насадку, заповнює простір між контактами. Цей потік свіжого повітря знищує гарячі, іонізовані гази, що були в просторі між контактами, швидко відновлюючи диелектричну стійкість між контактами та запобігаючи будь-якому потенційному повторному згорянню дуги.

Перехресний пневматичний вимикач

У перехресному пневматичному вимикачі механізм гашення дуги працює по-іншому. Тут, потік дуги направлений перпендикулярно самій дузі. Нижче наведено схематичне зображення принципу перехресного потоку, використовуваного в цьому типі вимикача. Коли рухомий контактний рукав активується в обмеженому просторі, утворюється дуга. Негайно, поперечний потік повітря пропонує цю дугу до розщеплювальних пластин. Розщеплювальні пластина розбивають дугу на менші сегменти, розсіюючи її енергію. Цей процес ефективно послаблює дугу до такого ступеня, що, після того як струм пройде через нуль, він не має енергії для повторного згоряння, забезпечуючи успішне переривання електричного контуру.

Резистивне переключення та недоліки пневматичних вимикачів

Резистивне переключення

Зазвичай, резистивне переключення не є абсолютно необхідним у пневматичних вимикачах. Коли дуга гаситься, вона власне створює деякий опір, що допомагає регулювати перехідну напругу повторного згоряння. Проте, якщо додатковий опір вважається корисним для певних застосувань, його можна включити, з'єднуючи резистор через секцію розщеплювальних пластин. Цей додатковий опір забезпечує додатковий рівень керування перехідною напругою, підвищуючи продуктивність вимикача в певних умовах.

Недоліки пневматичних вимикачів

Один з основних обмежень пневматичних вимикачів — строга потреба у постійному поставці стислого повітря з точним тиском. Для забезпечення цієї доступності часто потрібні великі масштабні встановлення, зазвичай з двома або більше компресорами. Підтримка цього складного компресорного заводу — це не мала задача; вона вимагає регулярного обслуговування, щоб підтримувати компресори в ефективному робочому стані та вирішувати будь-які механічні проблеми, що можуть виникнути.

Більше того, витікання повітря в трубних з'єднаннях є постійною проблемою. Навіть невеликі витікання можуть поступово знижувати тиск повітря, підриваючи продуктивність вимикача. Виявлення та усунення цих витікань може бути тривалим та трудомістким. Ці проблеми з обслуговуванням, разом з потребою у складній системі поставки повітря, сприяють вищим витратам на експлуатацію.

При порівнянні з масляними або іншими типами повітряних вимикачів, пневматичні вимикачі особливо дорогі для застосувань з низьким напругом. Розширені інфраструктурні потреби для генерації стислого повітря та пов'язані з цим витрати на обслуговування роблять їх менш економічно вигідними в ситуаціях, де використовуються нижчі напруги, обмежуючи їх широке використання в таких контекстах.