Återställarhandbok: Hur det fungerar & varför elverk använder det

1. Vad är en återkopplare?
En återkopplare är en automatiserad högspänd elektrisk brytare. Liknande som en säkringsbrytare i hushållens elkablar avbryter den strömmen när ett fel – till exempel en kortslutning – uppstår. Men till skillnad från en hushållssäkringsbrytare som kräver manuell återställning övervakar en återkopplare automatiskt ledningen och avgör om felet har åtgärdats. Om felet är tillfälligt kommer återkopplaren automatiskt att stänga kretsen igen och återställa strömförsörjningen.

Återkopplare används allmänt i distributionssystem – från transformatorstationer till elstolpar i bostadsområden. De finns i olika typer, inklusive kompakta enfasesåterkopplare för enfasedsledningar och större trefasesåterkopplare för transformatorstationer och högspänningsfördelningsledningar upp till 38 kV.

Utformning och prestanda hos återkopplare styrs av internationella standarder såsom ANSI/IEEE C37.60 och IEC 62271-111.

2. Varför använda återkopplare?

Automatiska kretskopplare anses av elbolag världen över som väsentliga enheter för att uppnå sitt centrala mål: leverera den mest kontinuerliga och tillförlitliga strömförsörjningen till kunder på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt.

Återkopplare kan upptäcka och avbryta felflöden, och sedan automatiskt återställa strömmen så snart ett tillfälligt fel har åtgärdats. I princip är en återkopplare en självständig intelligent enhet som kan identifiera överström, mäta tid, avbryta felflöde och automatiskt återansluta för att återupprätta spänningen i ledningen.

Om felet är permanent kommer återkopplaren att låsa ut efter ett förinställt antal operationer – vanligtvis tre till fyra försök – vilket isolerar det felaktiga avsnittet från resten av systemet. Denna funktion sparar elbolagen betydande tid och driftskostnader, eftersom strömmen ofta återställs efter endast en eller två kortvariga spänningsflimmer, utan behov av ingripande på plats.

I de fall då personalinsats inte går att undvika hjälper återkopplare till att minimera avbrottets omfattning och underlätta för underhållspersonalen att snabbt lokalisera felet och återställa tjänsten. Bostads-, kommersiella, industriella och institutionella kunder drar alla nytta av minskade avbrott och kopplade kostnader. Utan denna höga nivå av försörjningspålitlighet skulle många kritiska moderna laster – såsom datorer, vattenpumpar och automatiserade produktionslinjer – ha svårt att fungera tillförlitligt.

3. Hur fungerar en återkopplare?

När ett fel uppstår på ledningen upptäcker återkopplaren det och löser automatiskt ut för att avbryta strömmen. Efter ett mycket kort intervall – ofta så kort att det bara orsakar ett kort ögonblicks ljusblixt – försöker återkopplaren återansluta och återställa strömmen. Om felet kvarstår löser den ut igen.

Efter vanligtvis tre misslyckade försök klassificerar återkopplaren felet som permanent och förblir öppen (låst ur). Vid detta tillfälle måste elbolagets personal besöka platsen, reparera den skadade infrastrukturen och manuellt återställa återkopplaren för att återställa strömmen.

Typiska permanenta fel inkluderar:

• Blixtskador på ledare eller utrustning

• Trädgrenar som faller ner på och skadar ledningar

• Kollisioner mellan fordon och stolpar eller annan hårdvara

4. Vad är tillfälliga fel?

Majoriteten av felen på luftburna distributionsledningar är tillfälliga. Exempel inkluderar blixtnedslag, vindpåverkade ledare eller tillfälliga beröringar orsakade av fåglar eller små djur. Dessa fel klarar sig oftast av sig själva när strömmen avbryts och orsakar ingen varaktig skada på ledningen.

Vanliga typer av tillfälliga fel:

• Vindorsakad krock mellan ledare

• Överslag längs isolatorytor på grund av överspänning orsakad av blixtnedslag

• Tillfällig bro mellan fasledare och jordade delar orsakad av fåglar, gnagare eller andra djur

• Trädgrenar som kortvarigt vidrör strömförande ledare

• Switchövertoner som orsakar överslag i isolatorer

Långsiktig driftsdata och fältupplevelser visar tydligt på vikten av "trip-and-reclose"-funktionen. Om ledningen kortvarigt avlastas försvinner källan till felet ofta – vilket gör att lyckad återanslutning är mycket sannolik. Därför eliminerar automatiska kretskopplare nästan helt långa avbrott orsakade av tillfälliga fel eller transienta överströmmar i distributionssystem.

5. Typer av återkopplare

5.1 Enfasesåterkopplare

Enfasesåterkopplare används för att skydda enfasedskretsar, till exempel grenledningar eller avgreningar från en trefasad fördelar. De kan också användas i trefasedskretsar där majoriteten av lasten är enfased.

Vid ett permanent fas-jord-fel låses endast den berörda fasen ur, medan de återstående två tredjedelarna av systemet fortsätter att leverera ström – vilket förbättrar den totala kontinuiteten i leveransen.

På grund av sin lägre vikt jämfört med stora trefasesåterkopplare monteras enfasesenheter vanligtvis direkt på elstolpar eller stålkonstruktioner i transformatorstationer med hjälp av integrerade monteringsfästen, vilket eliminerar behovet av ytterligare stödramar.

Beroende på designen kan enfasåterställare ha antingen hydraulisk styrning (integrerad i återställarens oljetank) eller elektronisk styrning (husrad i en separat styrkabinet).

Värt att notera är att enfasåterställare nu också finns i en utslagsstilform, vilket representerar ett högt integrationsnivå mellan primära och sekundära komponenter. Dessa kan monteras direkt på standardmonteringsbaser för fuseslagna utslag och används vanligtvis för grenströmskydd, med typiska nominalströmmar upp till 200 A.

En representativ tillverkare är S&C Electric Company (USA), vars produkt TripSaver® II exemplifierar denna typ, som visas nedan:

5.2 Trefasåterställare

Trefasåterställare används på trefasdistributionslinjer för att öka systemets tillförlitlighet. Vid någon permanent fel villkor låses alla tre faser samtidigt, vilket förhindrar risken för enfasdrift för kritiska trefaslaster—som stora trefasmotorer—som annars skulle kunna skadas av obalanserade eller ofullständiga spänningsförsörjningar.

Val av trefasåterställare baseras på de elektriska kraven, avbrotts- och isoleringsmedium (t.ex. olja, vakuum eller miljövänliga gaser), samt valet mellan hydraulisk styrning (integrerad i enheten) eller elektronisk styrning (husrad i en separat styrkabinet).

5.3 Driftläge: Trefastrip och trefaslåsning

Detta är det standarddriftläge för större återställare. Oavsett om felet är en fas-till-jordfel, en fas-till-fasfel, eller en trefasfel, trippar alla tre poler samtidigt under varje operation. Trippningen och återställningen av alla tre faser är mekaniskt kopplade och drivs av en enda driftmekanism, vilket säkerställer synkroniserat beteende.

Trefasåterställare stöder olika monteringskonfigurationer, inklusive:

• Polemonterade ramar (för överledningsinstallationer)

• Understationsmonteringsramar (för understations- eller plattmonterade applikationer)

5.4 Trippel-enfasåterställare

Trippel-enfasåterställare är elektroniskt styrda och erbjuder tre driftlägen:

• Trefastrip och trefaslåsning
  Alla tre faser trippar samtidigt på grund av överströmning, återställs samtidigt och fungerar i samma sekvens.

• Enfastrip och trefaslåsning
  Varje fas utför oberoende överströmningstrippning och återställning. Om någon fas går in i låsningssekvensen på grund av ett permanent fel, eller om ett lokalt/fjärrstyrd "låsning" kommando ges, kommer de andra två faserna också trippa och gå in i låsning, vilket förhindrar långvarig enfasdrift av trefaslaster.

• Enfastrip och enfaslåsning
  Varje fas trippar och låser oberoende, utan att påverka de andra. Detta läge används främst för bostadsbelastningar, eller i situationer där trefaslaster redan skyddas mot enfasdrift genom andra medel.

Trippel-enfasåterställare kan monteras på stolpar med hjälp av en stolpmontage, eller installeras på understationsramar eller direkt på understationsstålkonstruktioner.

6. Återställarkontrolltyper

"Intelligensen" som gör att en återställare kan upptäcka överströmning, välja tid-strömsegenskaper, utföra trippning och återställning, samt slutligen låsa, kommer från dess kontrollsystem. Det finns två huvudtyper av kontroll: integrerad hydraulisk kontroll och elektronisk kontroll i en separat kontrollkabinet.

Hydraulisk kontroll

Hydraulisk kontroll används vidare i de flesta enfasåterställare och vissa trefasåterställare. Den existerar som en integrerad del av återställaren själv. Med denna kontrollmetod upptäcks överströmning av en tripbobin som är ansluten i serie med linjen. När överströmning flödar genom tripbobinen drar bobinen en stöt, vilket orsakar att återställarkontakterna trippar öppna. 

Tid och sekvensoperationer uppnås genom att hydraulisk olja flödar genom olika hydrauliska kamrar eller öppningar. I mindre återställare tillhandahålls energin för återställning av fjädrar, som laddas av stubben av den serieanslutna tripbobinen under överströmningsbeskyttelsesoperationen. I större återställare utförs stängning av en separat stängningsolenoid som drivs av linjespanningen från källsidan av återställaren.

7. Mikroprocessorbaserad eller elektronisk kontroll

Mikroprocessorbaserade eller elektroniska kontrollåterställares styrsystem är vanligtvis installerade i separata kontrollkabinetter, vilket tillåter att driftparametrar justeras när som helst. De kan kombineras med olika tillbehör för att anpassa grundläggande funktioner för att möta en mängd olika applikationskrav. Jämfört med hydraulisk kontroll erbjuder dessa kontrollmetoder större flexibilitet, enklare programmering och parameteranpassning, samt avancerade skydds-, mät- och automatiseringsfunktioner. 

Mikroprocessordriven styrning används vanligtvis tillsammans med PC-baserad gränssnittsprogramvara för att konfigurera styrinställningar, registrera mätdata och ange kommunikationsparametrar. Styrsystemet tillhandahåller också flera analytiska verktyg, inklusive felplacering, händelseregistrering och oscilloskopfunktioner. Elektronisk styrning har varit vidt spridd på de flesta trefasade återstängare sedan mitten av 1980-talet, och många av dessa enheter fungerar fortfarande pålitligt idag.

8. Återstängares avbrottsmedier

8.1 Oljeavbrott
Återstängare som använder olja för strömsvängning använder samma olja som primär isoleringsmedium. Vissa återstängare med hydraulisk styrning använder också denna olja för tidtagning och räkningsfunktioner.

8.2 Vakuumavbrott
Vakuumavbrott möjliggör snabb, lågenergi bågens avbrott och erbjuder fördelar som lång kontakt- och avbrottslivslängd, låg mekanisk stress och hög driftsäkerhet. Eftersom bågen släcks i ett vakuum överstiger kontakten och avbrottets livslängd den för andra avbrottsmedier. Beroende på modellen kan isoleringsmediet för vakuumåterstängare vara olja, luft eller epoxi.