Automatski prekidač

Automatski prekidač je samostalni električni prekidač, konstruisan da zaštiti električnu mrežu od oštećenja izazvanim preopterećenjem strujom ili strujom kratkog spoja.

Dvopolni minijaturni automatski prekidač proizvoćača JTecUL

Za razliku od osigurača, koji posle obavljanja svoje funkcije više nije sposoban za rad i mora se zameniti novim, automatski prekidač (osigurač) se može ponovo vratiti u rad (ručno ili automatski).

Automatski prekidači se proizvode u raznim veličinama, od malih kućnih, koji štite kućnu instalaciju, do velikih prekidača namenjenih za zaštitu visoko-naponskih vodova celih gradova.

Istorijski razvoj

Prvobitni automatski prekidač je opisao Edison 1879. sa patentnom prijavom, iako su njegovi komercijalni sistemi distribucije električne energije koristili obične osigurače .

Princip rada

Svi automatski prekidači imaju zajednički princip rada u svom funkcionisanju, mada se mogu veoma razlikovati zavisno od napona i struje koji prekidaju.

Automatski prekidač mora da detektuje uslove za prekidanje strujnog kola. U nisko naponskoj mreži ovo je uobičajeno urađeno u samom prekidaču. Automatski prekidači za jake struje ili za velike napone, uobičajeno su upravljani uređajem koji vrši otkrivanje situacija u kojima će dejstvovati automatski prekidač. Solenoid koji će izvršiti uključenje mehanizma prekidača u pogon, uobičajeno koristi bateriju, mada neki visoko-naponski prekidači koriste strujne transformatore, zaštitne releje i interni izvor struje .

Čim je otkrivena greška, kontakti prekidača se moraju otvoriti da bi prekinuli kolo; za razdvajanje kontakata se koristi neki vid mehaničke energije (sabijena opruga ili sabijeni vazduh). Mali prekidači mogu se ručno vratiti u pogon, dok veći imaju solenoide da pokrenu dejstvo i električne motore da ponovo sabiju opruge i vrate prekidač u rad.

Kontakti automatskog prekidača moraju podnositi tokove struje bez velikog grejanja, a takođe moraju i podnositi visoku temperaturu koja nastaje tokom razdvajanja kontakata od voltinog luka. Kontakti su napravljeni od bakra ili bakarnih legura, legura srebra i drugih materijala. Radni vek kontakata je ograničen usled trošenja u toku rada od samog voltinog luka. Mali automatski prekidači, posle kvara na kontaktima se moraju celi zameniti, dok veliki visoko-naponski prekidači imaju mogućnost zamene samo kontakata.

Kada se prekida strujno kolo, na mestu prekida stvara se električni luk (takozvani Voltin luk, po Alesandru Volti). Pojava ovog luka se mora odigrati u zatvorenom prostoru, zatim ga hladiti i ugasiti u kontrolisanim uslovima, tako da novonastali razmak između kontakata može izdržati napon na krajevima kontakata bez ponovnog uspostavljanja električnog luka. Prekidači koriste vakuum, vazduh, inertne gasove ili ulje kao medijum u kojem se pojava električnog luka dešava. Različite tehnike se koriste za gašenje luka:

• Izduživanje luka
• Pojačano hlađenje
• Raspodela u komorama na više malih lukova
• Povezivanje kondenzatora u paralelu sa kontaktima (u kolima jednosmerne struje)

Kada se otklone kvarovi koji su izazvali aktiviranje automatskog prekidača, kontakti moraju biti zatvoreni da bi se ponovo uspostavilo električno kolo.

Smetnje izazvane lukom

Mali niskonaponski automatski prekidači koriste samo vazduh za gašenje voltinog luka. Oni sa većim opterećenjima imaju metalne ili nemetalne komore za gašenje luka. Gašenje luka u komorama se vrši magnetnim oduvavanjem električnog luka.

Gas (uobičajeno Sumpor heksafluorid) se koristi u velikim automatskim prekidačima da ugase voltin luk koji je izdužen pomoću magnetnog oduvavanja. Ovaj gas (SF₆) ima visoku dielektričnu otpornost.

Vakuumski automatski prekidači imaju osobenost da voltin luk koji se formira u njima ima najmanju dužinu luka jer nema gasova koji bi se mogli jonizovati i uspostaviti električno kolo (iako ostaci kontakata koji su se odvojili od elektroda mogu da se pojave u ovoj sredini i izazovu pojavu voltinog luka). Dužina električnog luka u ovim prekidačima je veoma mala, svega (<2-3 mm). Vakuumski automatski prekidači se najčešće koriste u srenje-naponskim prekidačima, do 35.000 V.

Vazdušni automatski prekidači mogu da koriste vazduh za oduvavanje elktričnog luka, ili, da se kontakti veoma brzo zaklone u malu zatvorenu komoru, sakrivajući se izloženom luku koji se u tom momentu oduvava.

Automatski prekidači uobičajeno mogu da prekinu tok struje veoma brzo: vreme gašenja luka je negde između 30 i 150 ms pošto je mehanizam pokrenut.

Struja kratkog spoja

Najveđa dozvoljena struja kratkog spoja, koju prekidač može da prekine, određena je testiranjem samog prekidača. Ugradnja prekidača u kolo koje ima veću struju kratkog spoja nego što je prekidna moć prekidača, može izazvati neadekvatno reagovanje i neuspešno isključivanje kola u kvaru. U situaciji kakva je navedena bezmalo je sigurno da bi došlo ili do katastrofalnog kvara prekidača ili čak i do njegove eksplozije.

Tipovi automatskih prekidača

Prednja strana vazdušnog automatskog prekidača nominalne struje 1250 A proizvedenog od ABB. Ovaj niskonaponski prekidač se može izvaditi iz svog kućišta radi servisiranja. Karakteristike okidanja se definišu pomoću malih DIP prekidača u gornjoj zoni.

Puno različitih klasa ovih prekidača se može definisati, a da budu bazirani na naponu, tipu konstrukcije, specijalnim karakteristikama itd.

Niskonaponski automatski prekidači

Unutrašnjost automatskog prekidača (AP)

Niskonaponski (napona manjeg od 1.000 V_AC) automatski prekidači (NNAP) se koriste najčešće u domaćinstvima, kao i u poslovnim i industrijskim instalacijama, uključujući:

• MAP (Minijaturni automatski prekidači) —— ;deklarisna struja ne veća od 100 A. Karakteristika okidanja se ne može menjati. Rad baziran na temperaturnoj ili temperaturno-magnetnoj promeni. Prekidač desno dole pripada ovoj grupi.
• PMAP (Posebno modelirani automatski prekidač)—— ; deklarisane struje veće od 1.000 A. Rad baziran na temperaturnoj ili temperaturno-magnetnoj promeni. Može se podešavati struja okidanja.
• Niskonaponski prekidači mogu se ugrađivati u NN ormare.

Osobine NN automatskih prekidača date su mećunarodnim standardom IEC 947. Ovi prekidači se ugrađuju u ormare koji imaju izvlačeđe fioke, koje dozvoljavaju zamenu i prepovezivanje, bez rastavljanja celog uređaja.

Veliki niskonaponski (NN) prekidači u modeliranim kućištima, mogu da imaju upravljanje električnim motorima. Ovo im dozvoljava da budu upravljani daljinskom komandom. Oni mogu činiti deo spojnog prekidača u sistemima podrške (to je onaj prekidač koji se uključuje u slučaju nestanka glavnog napajanja, recimo između agregata i mreže u bolnicama, ili spojni prekidač između dve mreže odgovarajućeg napona, kada se vrši selektivno isključenje određenog dela mreža, a napajanje preko drugog dela).

Niskonaponski prekidači se mogu koristiti i u kolima jednosmerne struje. Mada se za primenu u jednosmernim kolima koriste posebni prekidači, jer luk koji se formira u kolu jednosmerne struje, ne menja smer, kao u naizmeničnim kolima.

Mali AP su montirani ili direktno u opremu, ili spakovani u razvodnu tablu.

Automatski prekidač, nominalne struje 10 А, je najčešće ugrađivani automatski prekidač u kućnim instalacijama po Evropi. Unutrašnja konstrukcija AP se sastoji od:

1. Aktivaciona poluga - koristi se da se ručno uključi ili isključi AP. Takođe, ona pokazije status AP (da li je uključen ili isključen). Većina AP je tako konstruisana da može da se isključi čak i kad se aktivaciona poluga drži u položaju „uključeno” i ova funkcija se zove pozitivno isključenje.
2. Mehanizam pokretača - predstavlja sklop koji vrši sastavljanje ili rastavljanje kontakata.
3. Kontakti - dozvoljavaju protok struje kad su spojeni.
4. Ulaz i izlaz AP
5. Bimetalna traka
6. Kalibracioni zavrtanj - dozvoljava proizvođaču da precizno podesi AP posle sastavljanja.
7. Solenoid
8. Komora za gašenje voltinog luka

Magnetni automatski prekidač

Magnetni automatski prekidač koristi solenoid, čija vučna sila raste sa porastom struje. Kontakti AP su osigurani rezom. Kako struja u solenoidu raste van vrednosti određene prekidačom, tako sila povlači ove reze otpuštajući kontakte koji gurani oprugama se razdvajaju. Neki magnetni AP imaju u svom sastavu hidraulični mehanizam sa vremenskim odlaganjem dejstva. Tokom preopterećenja, zahvaljujući ovom mehanizmu, neće se isknjučiti AP dok se vreme koje je predviđeno za reakciju ne potroši. Ovaj postupak se koristi u kolima u kojima je neophodno da se motori pokrenu strujama većim od nominalnih struja prekidača, a da oni ne bi prekinuli pokretanje, koristi se ova vremenska zadrška hidraulučnim mehanizmom. U slučaju struje kratkog spoja, ova zadrška nema efekta jer je sila povlačenja solenoida višestruko veća pa će se kolo prekinuti bez odlaganja. Temperatura okoline utiče na vreme odlaganja ali nema efekta na vrednost struje koju troši magnetni AP za svoj rad.

Termomagnetni automatski prekidač

Termomagnetni automatski prekidač, predstavljaju najčešći tip prekidača u razvodnim tablama, i oni koriste dva principa rada:

prvi je elektromagnetni, kada zbog struje kratkog spoja deluje i isključuje kolo, a

drugi je bimetalni sklop koji isključuje AP posle dugotrajnog delovanja struje nešto veće od nominalne.

Odabir prekidača prema opterećenju

Odabir prekidača prema opterećenju se vrši u zavisnosti od nominalne struje namenjene za trajni rad, kao i od maksimalne struje kratkog spoja koju mogu sigurno da prekinu.

U slučaju kratkog spoja, velika struja kratkog spoja može proticati kroz AP. Kada kontakti pokušaju da se otvore da bi prekinuli tok struje, pojaviće se električni luk koji će dozvoliti da se nastvi tok struje.

Najveća struja kratkog spoja koju prekidač može da prekine određena je testiranjem opreme. Zato se prema mećunarodnim standradima IEC 60898-1 i Evropskom standardu EN 60898-1 definiše pojam nominalna struja opterećenja I_n automatskog prekidača za niski napon, kao struja koju ovaj prekidač može da podnosi stalno (na temperaturi okoline 30° celzijusa). Usvojene su sledeće nominalne vrednosti : 6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A, 63 A, 80 A i 100 A. Automatski prekidači su obeleženi oznakom nominalne struje ali bez simbola A. Umesto njega, koristi se slovni znak B, C ili D koji upućuju na trenutnu struju okidanja, koja predstavlja minimalnu vrednost struje koja će izazvati dejstvovanje prekidača da prekine kolo bez vremena zadrške (na primer, manje od 100 ms), sa oznakom I_n:

Tip	Trenutna struja okidanja
B	iznad 3 In pa do i uključujući 5 In
C	iznad 5 In pa do i uključujući 10 In
D	iznad 10 In pa do i uključujući 20 In
K	iznad 8 In pa do i uključujući 12 In Za zaštitu opterećenja koji često troše velike količine struje u kratkim intervalima (oko 400 ms do 2 s) u toku normalnog rada .
Z	iznad 2 In pa do i uključujući 3 In za periode reda deset i više sekundi . Za zaštitu opterećenja kao što su poluprovodnici ili merni uređaji koji koriste strujne transformatore.

Automatski prekidači sa svojstvima rastavljača

Ovaj tropolni automatski prekidač sa zajedničkim okidanjem ima nominalnu struju opterećenja od 2 A

Kod upotrebe trofaznih potrošača, u kolo sa njima, prema potrebi, se vezuju tropolni AP sa zajedničkim okidanjem, na svaku fazu. Da bi se obezbedilo isključivanje svih faza, čak i u slučaju kvara na jednoj, koriste se tropolni automatski prekidači sa svojstvima rastavljača, odnosno sa zajedničkim okidanjem. Mogu imati dva ili tri okidajuća mehanizma u kućištu, ili za male prekidače, mogu imati plastikom sastavljene poluge za uključenje. Postoje dvopolni, koji se koriste za isključivanje dva linijska voda (recimo prema razvodnim tablama) i tropolni, za motore ili opet razvodne table .

Automatski prekidači srednjeg napona

U ovu grupu spadaju automatski prekidači napona instalacije od 1 do 72 kV i nalaze se u metalnom kućištu, namenjenom za unutrašnju ugradnju, ili za spoljašnju ugradnju u trafostanicama. Osobine srednjonaponskih automatskih prekidača određene su međunarodnim standardom IEC 62271. Ovi prekidači gotovo uvek koriste odvojenu komandu za isključenja (za razliku od onih niženaponskih, koji koriste termalnu ili magnetnu prekostrujnu zaštitu).

Srednje-naponski prekidači se razvrstavaju prema medijumu za gašenje voltinog luka :

• Vakuumski AP — sa strujama opterećenja do 3.000 A, ovi prekidači prekidaju strujno kolo, gaseći voltin luk u vkuumskoj komori. U osnovi, ovi AP se koriste za napone do 35.000 V, i ovi AP imaju duži životni vek od onih baziranih na vazduhu.
• Vazdušni AP — sa strujama opterećenja do 10.000 A. Karakteristika okidanja im je obično promenljiva i elektronski kontrolisana, mada neki modeli imaju mikroprocesore. Obično se koriste u fabričkim instalacijama za glavne prekidače.
• SF6 AP gase voltin luk pomoću oduvavanja voltinog luka u komoru sa sumpor heksafluorid gasom .

Visoko-naponski automatski prekidači

400kV SF6 automatski prekidač

Mreže za prenos električne energije su zaštićene i kontrolisane AP za visoki napon. Definicija visokog napona se razlikuje, ali se uopšteno prihvata da je to napon viši od 72.500 V, prema specifikaciji koju je izdalo međunarodno telo u oblasti elektrotehnike (IEC). Visoko-naponski AP su gotovo uvek upravljani solenoidima, sa relejima za diferencijalnu zaštitu, koji su povezani na strujne merne transformatore.

Visoko-naponski prekidači su razvrstani prema medijumu za gašenje voltinog luka:

• Rafinirano ulje
• oduvavanje vazduhom
• SF₆

Neki od proizvođača ovih AP su ABB, AREVA, Mitsubishi Electric, Cutler-Hammer (Eaton Corporation), Siemens, Toshiba, Schneider Electric i drugi.

Automatski prekidači visokog napona se razvrstavaju u dve grupe: „živi oklop“, gde kućište u kojem je mehanizam rastavljača, se nalazi na linijskom potencijalu, ili mrtvi oklop čije kućište je na potencijalu zemlje. Visoko-naponski AP za naizmeničnu struju se prave za napone do 765 kV.

Visoko-naponski AP koji se koriste u sistemu prenosa električne energije, dozvoljavaju isključivanje jednog pola trofaznog sistema, umesto isključivanja sve tri faze. Za neke klase kvarova ili greški ovo popravlja stabilnost celog sistema.

Visokonaponski automatski prekidači sa SF6

Visoko-naponski AP su doživeli velike promene od kad su predstavljeni javnosti pre oko 40 godina, i nekoliko velikih promena su doživeli, koji su doveli do promene napona na kojem prekidači rade, kao i struja opterećenja. Ovi prekidači su namenjeni za unutrašnju i spoljašnju ugradnju.

Prekidanje struje u ovim prekidačima se vrši razdvajanjem kontakata u medijumu kao što je SF₆, koji ima odlične dielektrične osobine i osobine za gašenje voltinog luka.

Oduvavanje luka gasom mora biti sposobno da veoma brzo smanji temperaturu izmeću kontakata sa 20.000 K na manje od 2.000 K u nekoliko mikrosekundi, tako da bude sposoban da podnese tranzientni povratni napon koji će se pojaviti na kontaktima posle prekida. Sumpor heksafluorid se koristi za napone više od 52 kV.

U 1980-im i 1990-im godinama, pritisak neophodan da se Voltin luk ugasi gasom se dobijao od same temperature luka.

Kratko podsećanje

Prvi patenti o SF₆ pojavili su se u Nemačkoj 1938. i prijavio ih je Vitali Grose iz kompanije AEG i nezavisno od njega, nešto kasnije u julu 1951. gospoda Lingal, Braun i Storm, svi iz Vestinghausa. Prva industrijska primena SF₆ bila je 1953. Razvijeni su prekidači za napon od 15 kV do 161 kV sa opterećenjem od 600 A. Prvi visoko-naponski prekidač SF₆ napravljen u Vestinghausu 1956. mogao je da prekine struju od 5 kA napona 115 kV, a imao je 6 komora za gašenje u rednoj vezi po polu. 1957. je se pojavila nova tehnika SF₆ AP kod kojeg je pomeranje klipa i cilindra povezanog sa pokretnim delovima korišćeno da stvori pritisak neophodan za oduvavanje voltinog luka kroz diznu napravljenu od izolacionog materijala (slika broj 1). U ovoj tehnici, porast pritiska gasa je dobijeno ljegovim sabijanjem. Prvi visoko-naponski SF₆ AP koji je imao sposobnost da izdrži veliku struju kratkog spoja, napravljen je u Vestinghausu 1959. Ovaj AP u mrtvom oklopu, mogao je prekinuti 41.8 kA pod naponom od 138 kV (10,000 MV·A) i 37.6 kA pod naponom od 230 kV (15,000 MV·A). Ova dostignuća su već bila velika, ali tri komore po polu i visoki pritisak nepohodan za gašenje luka (1.35 MPa) su bili veliki nedostatak koji je se morao izbeći. Odlične osobine SF₆ dovele su do velike primene u 1970-im godinama i do razvoja prekidača baziranih na sumpor heksafluoridu, razdvojne moći i do 800 kV.

Novi uspeh je bio oko 1983. kada je napravljen jednopolni prekidač napona 245 kV i odgovarajući, napona 420kV do 550 kV i 800 kV, sa 2, 3, i 4 komore po polu. Ovo je dovelo do potpune dominacije prekidača batiranih na SF₆ u celom visoko-naponskom delu .

Nekoliko osobina SF₆ prekidača može opisati njihov uspeh:

• Jednostavnost komore za gašenje, koja ne treba pomoćnu komoru;
• Autonomnost obezbeđena tehnikom oduvavanja;
• Kratko vreme prekida 2 do 2.5 ciklusa;
• Visoka pouzdanost, koja dozvoljava gotovo 25 godina rada bez održavanja;
• Ugrađeni otpornik ili sinhronizovane poeracije, da se spreči pojava prenapona prilikom prekidanja ;
• Pouzdanost i dostupnost;
• nizak stepen buke.

Smanjenje broja komora za gašenje po polu dovele su do uprošćavanja AP kao i do smanjivanja delova koji čine uređaj .

Komora sa termičkim udarom

Noviji tipovi komora u SF₆ AP, koji imaju najnovije principe prekidanja struje, razvijaju se već 15 godina. U njima je izvršeno redukovanje, odnosno umanjenje dinamičkih sila u prekidačima. Ovaj sistem sa tehnikom samogašenja razvija se od 1996.

Ova unapređenja su postignuta korišćenjem digitalnih simulatora koji su promenili geometriju prekidne komore .

Ova tehnika se pokazala veoma delotvorna i veoma se često koristi na visoko-naponskim AP napona do 550 kV. Ova tehnika je dozvolila razvoj novih vrsta AP baziranih na mehanizmima sa oprugama.

Umanjenje energije potrebne za rad uglavnom je dobijeno, umanjenjem količine energije koja se koristi za kompresiju gasa iskorišćavanjem energije voltinog luka.

Samogaseća komora

Dalje usavršavanje tehnologija za gašenje voltinog luka, dobilo se pojavom ventila između ekspanzionog i kompresionog dela .

Kada se prekidaju male struje, ventil se otvara pod pritiskom generisanim zbog toga što je pritisak u kompresionom delu veći nego onaj u ekspanzionom. Oduvavanje luka dobija se kretanjem klipa i potiskivanjem gasa. U slučaju prekidanja velike struje, energija luka stvara visok pritisak u ekspanzionom delu, što dovodi do zatvaranje ventila i izolovanja ekspanzionog dela od kompresionog. Natpritisak potreban za prekidanje dobija se upotrebom termičkog efekta i efekta zapušenja dizne koje se dešava kada god voltin luk značajno umanji isticanje gasa iz dizne.

Da bi se sprečila prevelika potrošnja energije zbog kompresije gasa, ventil je montiran na klip da bi ograničio natpritisak u kompresionom delu na vrednost koja dovoljna za prekidanja malih struja.

Samo-gaseća komora automatskog prekidača (1) zatvorena, (2) kada prekida malu struju, (3) kada prekida veliku struju, i (4) otvorena.

Ova tehnika je u komercijalnoj upotrebi od 1996.

Dvostruko kretanje kontakata

Veoma važno umanjenje potrošnje energije za rad AP se može dobiti umanjenjem kinetičke energije koja se troši prilikom operacije prekidanja. Jedan način je da se razmaknu dva kontakta izmeću kojih se javlja luk u različitim smerovima, za razliku od ovih principa gore gde se kreće samo jedan kontakt.

Poređenje tehnologija sa dvostrukim i jednostrukim kretanjem kontakata

Pokretanje dva kontakta umesto jednog upola umanjuje brzinu kretanja pokretnih deloma mehanizma. U principu, kinetička energija treba da bude četvrtina one koja se troši kod jenostrukog kretanja, ukoliko masa pokretnih delova nije povećana. Međutim, kako je masa pokretnih delova očigledno uvećana, ispravni proračun uštede kinetičke energije je 60% .

Komora termičkog udara sa otvaranjem pomoću energije voltinog luka

U ovoj tehnici se koristi energija luka, sa jedne strane da stvori udar od termičkog širenja i, sa druge strane, da ubrza kretanje pokretnih delova mehanizma kada prekida strujno kolo.

Sa ovim principom razdvajanja kontakata, kod prekidanja veoma velikih struja moguće je uvećanje energije okidanja za oko 30%, tako da je najbolje da se ovaj mehanizam koristi kod prekidanja struja samih generatora.

Automatski prekidači struje generatora

Automatski prekidači struje generatora povezuju se između generatora i izlaznog transformatora. Oni se uglavnom koriste kod izlaza generatora velike snage (100 MVA do 1800 MVA) da bi ih zaštitili pouzdano, brzo i jeftino. Takvi prekidači moraju da budu sposobni da propuste velike struje u nominalnom radu (6.3 kA do 40 kA), i da imaju veliku prekidnu moć (63 kA do 275 kA).

Jedan takav prekidač se nalazi na slici desno za napon 17.5 kV i struju 63 kA.

Utrošak energije

Utrošak energije potreban za okidanje ovih prekidača smanjen je 5 do 7 puta za 27 godina. Ovo opisuje napredak postignut na usavršavanju ovih uređaja .

Šta obećavaju novine u ovim sistemima

U skoroj budućnosti, mogu se povećati mogućnosti za prekidanje struja (sa 63 kA na 80 kA) koje zahtevaju neke oblasti zbog povećanja potrošnje .