Prekidači snage

Prekidači snage su visokonaponski aparati koji mogu da uključe i isključe strujno kolo kroz koje protiče bilo koja vrednost struje od najmanje vrednosti do pune vrednosti struje kratkog spoja. Pri tome, oni moraju da podnose i izdrže sva termička i dinamička naprezanja koja se u procesu prekidanja struje pojavljuju.

Može se reći da je visokonaponski prekidač glavni zaštitni aparat u postrojenjima visokog napona. Da se ne bi oprema zahvaćena kratkim spojem naprezala i eventualno oštetila, visokonaponski prekidač mora vrlo brzo prekinuti struju kratkog spoja, odnosno odvojiti deo postrojenja koji je u kvaru. Savremeni prekidači to čine za nekoliko perioda, npr. za 40-60 ms.

Otvaranjem kontakata prekidača pojavljuje se električni luk zbog veoma velike temperature, odnosno velike struje koja u trenutku geometrijskog razdvajanja kontakata prolazi kroz pol prekidača. Zbog tako visoke temperature, na kontaktima prekidača dolazi do delimičnog topljenja kontaktnog materijala (visoka temperatura je posledica izuzetno velike gustine struje). Međukontaktni prostor je postao provodan i održava se električni luk - struja protiče i dalje, iako su se kontakti otvorili. Električna struja omogućava luku da se održava, pri čemu se molekuli iz stabla luka raspadaju na atome (dolazi do disocijacije), koji se raspadaju na pozitivne jone i elektrone (dolazi do termojonizacije). Stepen disocijacije i termojonizacije zavisi od temperature luka. Zavisno od vrste prekidača, temperatura luka može dostići i do 15.000°K, pa i 20.000°K.

Električna otpornost luka naglo raste kada njegova temperatura opada i to pri svakom prolasku struje kroz nulu. Pad napona (napon električnog luka) će u momentu prolaska struje kroz nulu naglo porasti, jer se u tom momentu naglo povećala otpornost. Iz ovoga se može zaključiti da je najpogodniji trenutak za gašenje luka onaj kada struja prolazi kroz nulu (tada je otprnost luka velika, a napon luka visok). Električni luk u prekidaču će se ugasiti onda, kada napon potreban za održavanje luka bude veći od napona među kontaktima prekidača.

Dakle, proces gašenja električnog luka u prekidaču snage odvija se snižavanjem temperature među kontaktima prekidača i odvođenjem stvorenih gasova iz međukontaktnog prostora. Time se povećava električna otopornost luka, a samim tim i napon ponovnog paljenja. Snižavanjem temperature luka (raznim sredstvima za gašenje luka) onemogućava se termojonizacija, a tako se joni i elektroni ponovo spajaju, a u međukontaktni prostor (komoru za gašenje električnog luka) se ubacuje sredstvo manje električne provodnosti.

Šematska oznaka prekidača snage

Konstruktivni oblici prekidača:

• prekidači sa vazdušnim gašenjem luka,
• hidromatski prekidači,
• uljni prekidači,
• prekidači sa magnetnim gašenjem luka,
• pneumatski prekidači,
• malouljni prekidači,
• vakuumski prekidači,
• prekidači sa gasom SF6.

Hidromatski prekidači

Ovi prekidači rade kao i malouljni, s tom razlikom što se za gašenje luka koristi destilovana voda, kojoj se radi snižavanja tačke smrzavanja dodaje glikol. Ova smeša destilovane vode i glikola naziva se hidrin i otuda se ovi prekidači nazivaju hidromatski. Snižavanjem tačke smrzavanja smanjuje se isparavanje, a ovo je naročito važno za postrojenja pod vedrim nebom. Glikol ima dobru osobinu da pri pojavi električnog luka povećava količinu para koje povoljno utiču na njegovo gašenje.

Uljni prekidači

Kontakti prekidača su postavljeni u sud sa velikim sadržajem ulja. Uglavnom su u jednom sudu (kazanu) smešteni polovi sve tri faze za napon do 38kV, a za više napone svaki pol ima poseban sud (za jedan pol uljnog prekidača 220kV, potrebno je oko 20T ulja). Prilikom geometrijskog razdvajanja kontakata (pokretni kontakt se pomera naniže) stvara se električni luk koji oko sebe stvara uljne gasove odnosno, gasni prostor. Nastale uljne pare podižu nivo ulja u sudu. Povećanjem hoda pokretnog kontakta, povećava se prostor ispunjen ovim parama, pa se nivo ulja u sudu sve više podiže. Dobro konstruisani prekidači gase luk pre nego kroz otvor za gasove počne da izlazi ulje. Proces stvaranja uljnih para pri svakom prekidanju (pojavi električnog luka) je negativna osobina uljnih prekidača jer:

• pritisak ovih para može oštetiti sud sa uljem i dovesti do eksplozije prekidača,
• gasovi izašli iz prekidača mogu biti zapaljeni slučajnom varnicom pa nastaje havarija postrojenja gde se ovakav prekidač nalazi.

Ova vrsta prekidača se više ne proizvodi.

Prekidači sa magnetnim oduvavanjem luka

Ovaj prekidač radi na sledećem principu: stvoreni luk između nepokretnog i pokretnog kontakta se "oduva" pomoću jake elektromagnetne sile. Na red sa glavnim nepokretnim i pokretnim kontaktima vezan je namotaj koji u trenutku prekidanja jako pobuđuje magnet. Ovako jako magnetno polje stvara jaku elektromagnetnu silu F koja "oduvava" tj. razvlači električni luk. Povećana dužina luka izaziva hlađenje i dejonizaciju. Ovi prekidači su veoma pogodni za velike nazivne struje (reda nekoliko hiljada ampera), a za nazivne napone do 24kV.

Pneumatski prekidači

Kod ovih prekidača sredstvo za gašenje električnog luka je sabijeni vazduh koji se dobija iz posebnog kompresorskog postrojenja. U trenutku razdvajanja kontakata (stvaranja električnog luka) vazduh pod pritiskom oduvava električni luk poprečno ili podužno.

Malouljni prekidači

Kod ovih prekidača ulje isključivo služi kao sredstvo za gašenje luka, a ne kao poprečne ili podužne izolacije (između faza i prema zemlji). S obzirom na to potrebna je veoma mala količina ulja po polu prekidača (npr 2 do 3 litre za 12kV prekidače ili 50 litara za 123kV prekidače). Za izolaciju prema zemlji ili između polova koristi se presovani papir (pertinaks) ili epoksi smola (kod prekidača za unutrašnje prostore), odnosno porcelan (kod prekidača za spoljne prostore). Lučna komora i kontakti ovih prekidača, smešteni su u izolacionoj cevi, koja se izrađuje od slojevitih materijala sa vezivima od epoksi smole, a za spoljašnju montažu se upotrebljavaju rebraste cevi od Porcelana.

Vakuumski prekidači

Najsavremenija vrsta prekidača za napone do 38kV je vakuumski prekidač. Upotreba ovih prekidača na višim naponskim nivoima sa više prekidnih mesta je napuštena iz ekonomskih razloga. Ovo su mehanički najjednostavniji prekidači snage. Proces prekidanja električnog luka u vakuumu se znatno razlikuje od procesa prekidanja u drugim sredinama (prekidačima). U drugim sredinama luk se sastoji od jona i elektrona. Kod vakuumskog prekidača ne postoje elektroni nego samo joni koji se izdvajaju iz kontakata prekidača. Neposredno pre prolaska struje kroz nulu, proces jonizacije se prekida i dolazi do nagle kondenzacije metalnih para na elektrodama i metalnim ekranima, čime se osigurava efikasno prekidanje struje. Pošto ne postoji izolaciono sredstvo, toplota se ne može naglo izdvojiti, več se gubi samoradijacijom lučnog stuba na ekran vakuumske komore. Vakuum je izuzetno efikasna sredina za prekidanje električne struje, pa se veoma brzo uspostavlja dielektrična čvrstoća u međukontaktnom prostoru. Vreme prekidanja ne zavisi od struje, kao kod ostalih vrsta prekidača, a uglavnom prekidač prekida pri prvom prolasku struje kroz nulu. Otuda je i vreme prekidanja ovih prekidača znatno manje nego kod ostalih vrsta prekidača. Kontakti vakuumskih prekidača mnogo duže traju nego kod bilo koje druge vrste prekidača, uvek su čisti i praktično ne zahtevaju nikakvo održavanje osim redovne revizije pogonskog mehanizma, zbog čega ovi prekidači imaju veoma dug eksploatacioni vek. Zatim, ova vrsta prekidača ima zanemarljiv rizik od požara i eksplozije. Imaju mali hod kontakata (malo rastojanje između kontakata sme se dozvoliti zbog veoma velike dielektrične čvrstoće vakuuma), masa i dimenzije ovih prekidača su male a rad im je tih. Radi postizanja manjih dimenzija prekidača i bolje spoljašnje izolacije, vakuumske komore se smeštaju u gas SF6. Zbog navedenih kvaliteta, većina proizvođača se orijentišu na vakuumske prekidače. Glavni nedostatak ovih prekidača je njihova relativno visoka cena.Još jedan nedostatk im je pojava značajnih prenapona pri prekidanju malih induktivnih struja.

Prekidači sa gasom SF6 (sumporheksafluor)

Gas SF6 je bez boje, ukusa i mirisa, nije otrovan, nije hemijski agresivan, nije zapaljiv. HEmijski je stabilan i ne reaguje sa okolnim materijalima sve do 500 °C. Gustoća mu je 5 puta veća od vazduha. Dielektrična čvrstoća na atmosferskom pritisku mu je 2,35 puta veća od vazduha i rasre sa povećanjem pritiska (na 3 puta većem pritisku od atmosferskog, dielektrična čvrstoća mu je veća nego kod ulja). Oko 100 puta je efikasniji u procesu gašenja električnog luka u poređenju sa vazduhom. Gas SF6 poseduje izuzetne dielektrične karakterisitike iz dva razloga. Prvi razlog je što su dimenzije molekula gasa SF6 znatno veće nego dimenzije molekula azota ili kiseonika. To znači da je efektivna površina poprečnog preseka molekula gasa SF6 veča za elektrone ubrzane električnim poljem, izazivajući znatno veći broj sudara po jedinici pređenog puta elektrona u odnosu na molekule gasova iz sastava vazduha. Krajnji efekat je isti kao kada bi molekuli gasova iz sastava vazduha bili na povećanom pritisku. Elektroni se usled većeg broja sudara mnogo efikasnije usporavaju i efekat udarne jonizacije je znatno slabije izražen nego u vazduhu pri istom pritisku. Drugi razlog je što se molekuli gasa SF6 odlikuju elektro-negativnošću, što znači da mogu da prihvate slobodne elektrone i obrazuju slabo pokretljive negativne jone, što usporava proces udarne jonizacije. Sa druge strane, zbog velikog efektivnog poprečnog preseka molekula gasa SF6 događa se veliki broj sudara u kojima praktično svi slobodni elektroni bivaju zarobljeni, obrazujući teške negativne jone. U poslednjoj elektronskoj putanji molekula gasa SF6 nedostaje jedan elektron do njenog popunjenja. Iz tog razloga molekuli gasa SF6 pokazuju izraženo privlačno delovanje za elektrone. Gorenavedene osobine su iuzetno pogodne za korišćenje gasa SF6 kao izolacionog sredstva, mada ima i drugih gasova koji sadrže atome fluora sa sličnim osobinama (npr, freon). Međutim, karakteristike gasa SF6 u pogledu gašenja luka su jedinstvene. Maksimum toplotne provodnosti za gas SF6 nastupa pri temperaturi od oko 2000K, za razliku od azota, kod koga ovaj maksimum nastupa pri temperaturi od 6000K. Prema načinu prekidanja elektičnog luka SF6 prekidači se mogu podeliti na sledeće tipove:

• Prekidači sa SF6 gasom sa dva pritiska,
• Autopneumatski SF6 prekidači,
• Autoekspanzioni SF6 prekidači,
• SF6 prekidači sa rotirajućim lukom (sa magnetnom rotacijom luka)

Literatura

• Mihailo Popović (1995): Razvodna postrojenja i elektrane, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd
• Hrvoje Požar (1978): Visokonaponska rasklopna postrojenja, Tehnička knjiga, Zagreb
• Jovan Nahman, Vladica Mijailović (2005): Razvodna postrojenja, Akademska misao, Elektrotehnički fakultet, Beograd
• Milan Savić (2004): Visokonaponski rasklopni aparati, Elektrotehnički fakultet, Beograd