Hoofdstuk 2: schakelaars



Dovnload 31.39 Kb.
Datum20.08.2016
Grootte31.39 Kb.

HOOFDSTUK 2: SCHAKELAARS



1: Spanningsniveau’s
Er zijn elektrische installaties op hoogspanning (HS), op middenspanning (MS) en op laagspanning (LS). Het AREI (Algemeen Reglement op Elektrische Installaties) maakt hierbij de onderstaande indeling.


  1. Hoogspanning (vanaf 50 kV): wordt in het AREI aangegeven als hoogspanning 2e categorie. Hier onderscheiden we de openbouwinstallatie en de gasdichtmetaalomsloten installatie in SF6-gas.

  2. Middenspanning (1 kV tot 50 kV): wordt in het AREI aangegeven als hoogspanning 1e categorie. Hier worden vandaag de dag alleen nog omsloten installaties gebouwd. Zij kunnen onderverdeeld worden in volledig gasdicht-metaalomsloten en omsloten installaties.

  3. Laagspanning (tot 1 kV): hier worden omsloten installaties in kasten of standaardvelden en schakel- en verdeelborden gebruikt.


2: Types schakelaars
Schakelaars kan men op meerdere manieren in soorten onderverdelen. Een eerste onderverdeling kan gebeuren op basis van het onderbrekingsvermogen. Zo onderscheidt men drie categorieën:


  • vermogenschakelaars

  • lastschakelaars

  • scheidingschakelaars

Elk van deze drie types vindt men terug op HS, MS en LS.


2.1: Vermogenschakelaars
Deze toestellen zijn in staat om kortsluitstromen te onderbreken. Zij moeten dit bovendien volgens een voorgeschreven norm een aantal keren na elkaar kunnen doen.
Bij een technologische beschrijving van de vermogenschakelaars is de indeling volgens het onderbrekingsmilieu de meest voor de hand liggende. Zo onderscheidt men:


  • schakelaar in gas: lucht (al dan niet onder druk) of SF6

  • schakelaar in vloeistof: olie

  • vacuümschakelaar

Op hoogspanningsniveau worden vrijwel enkel nog SF6-schakelaars geïnstalleerd, maar vroeger werden vaak persluchtschakelaars aangewend. Op middenspanningsniveau worden naast SF6-schakelaars ook veel vacuümschakelaars geïnstalleerd. Deze types hebben de kleinolievolumeschakelaar verdrongen, al komt men deze nog vaak tegen. Op laagspanning is er een grote keuze aan type schakelaars.


2.2: Lastschakelaars
De lastschakelaars kunnen wel de normale belastingstroom afschakelen, maar geen kortsluitstroom. Zij moeten dus beveiligd worden door smeltveiligheden. Zij kunnen gewoonlijk ook de functie van scheidingschakelaar vervullen en worden dan lastscheiders genoemd.
In feite gelden voor lastschakelaars dezelfde principes als voor vermogenschakelaars, maar hun onderbrekingsvermogen is kleiner.
2.3: Scheidingschakelaars


Scheidingschakelaars (kortweg ook scheiders genoemd) hebben geen enkel onderbrekingsvermogen en mogen enkel stroomloos bediend worden. Zij moeten een betrouwbare (zichtbare) scheiding van de keten verwezenlijken. Zij moeten steeds in serie met een lastschakelaar of een vermogenschakelaar worden voorzien, daar deze laatste geen zekerheid van volledige scheiding bieden.


Scheidingschakelaars in schakelstations vervullen een essentiële rol met betrekking tot de mogelijkheid van onderhoud en inspectie van delen van deze schakelstations of gedeelten van het elektriciteitsnet. Inderdaad, vooraleer men aan de onderdelen werken uitvoert, wil men echt “zien” dat de onderdelen afgeschakeld zijn teneinde met 100% zekerheid ongevallen te voorkomen.
Daar de scheidingsschakelaars bij het uitschakelen stroomloos zijn, is de uitvoering zeer eenvoudig en kan de onderbreking in de lucht gebeuren (bij het scheiden van een lange lijn worden echter nog lange vonken getrokken wegens capacitieve parasitaire koppelingen).
Uitschakelen gebeurt bij de LS- en MS-scheidingschakelaars dikwijls met behulp van een geïsoleerde schakelstok met een haak aan het einde, die in het oog van het mes van de scheidingsschakelaar gehaakt wordt. Het personeel moet gummihandschoenen dragen en op een geïsoleerd bankje staan om het contact met de grond te beletten. Daarnaast bestaat ook vaak de mogelijkheid om de scheidingsschakelaar vanop afstand te bedienen vanuit een controlezaal.
In driefasige HS-ketens worden ofwel drie enkelpolige scheidingschakelaars ofwel één driepolige scheidingsschakelaar gebruikt. In dit laatste geval zullen de drie messen onderling verbonden zijn en door middel van een stangenstelsel tegelijkertijd geopend of gesloten worden.
I
ndien de spanning zeer hoog is, wordt gebruik gemaakt van een dubbele onderbreking. Het mes wordt dan om een draaiende isolator geplaatst terwijl de vaste contacten op twee isolatoren zijn aangebracht. Tenslotte vermelden we het pantograaftype, dat veel gebruikt wordt op de hoogste spanningsniveau’s.
3: Installaties op hoogspanning, middenspanning en laagspanning
3.1: Openbouwinstallaties
Luchtgeïsoleerde installaties (welke gebruikt worden voor hoogspanning) worden over het algemeen in de buitenlucht gebouwd. De voordelen van een open bouw zijn:


  • snelle montage

  • gemakkelijke vervanging en uitbreiding

  • mogelijkheid tot het gebruiken van componenten van verschillende constructeurs

  • l
    age installatiekosten indien men de grond niet duur hoeft te betalen


Bemerk dat een dergelijke bouwwijze enkel te verantwoorden is indien de grondprijs betaalbaar is. Ook in een dergelijke situatie brobeert men uiteraard de installatiekosten zoveel mogelijk te beperken en dit gebeurt vooral door het aantal (dure) isolatoren te beperken. Meer concreet zal men




  • meettransformatoren in de vermogenschakelaar bouwen. Hierdoor spaart men de isolatoren uit waarop de meettransformatoren staan en de isolatoren nodig ter ondersteuning van de toevoerdraden.

  • gecombineerde scheider-aarders gebruiken

Dat gecombineerde scheider-aarders gebruikt worden is logisch. Vooraleer werken uitgevoerd worden aan een onderdeel, wordt eerst dat onderdeel afgeschakeld via een vermogenschakelaar of een lastschakelaar. Hierna wordt via een scheidingschakelaar (ook kortweg scheider genoemd) zichtbaar gemaakt dat de voeding onderbroken is en het onderdeel spanningsloos is. Doch vooraleer er aan te werken zal men het onderdeel eerst aarden teneinde ondermeer spanningen ten gevolge van statische elektriciteit te vermijden.


3.2: Gasdicht-metaalomsloten installaties
Bij het gasdichte metaalomsloten schakelmateriaal gebruikt men een isolatiestof die voor de isolatie zorgt en tevens voor de uitdoving van de boog van de schakelaar dient.
Aanvankelijk gebruikte men olie als isolatiestof, maar het brandgevaar hiervan was te groot. Tegenwoordig gebruikt men enkel nog lucht onder druk of SF6 onder druk. Kenmerkend is dat SF6 onder druk zeer hoge waarden van de kritische gradiënt mogelijk maakt, de afstand geleider-massa wordt zelfs bij de hoogste spanningen minder dan een halve meter. De fasen zijn bovendien volledig tegen galvanisch contact beschermd door het drukvat zelf. De vermogenschakelaar is eenvoudiger van constructie wegens het ontbreken van steunisolatoren. Plaatswinst en veiligheid zijn dus de doorslaggevende argumenten voor het gebruik van deze gasdichte metaalomsloten opstellingen.
Vanwege de grote plaatsbesparing (nog maar 20% van de luchtgeïsoleerde installatie) vinden de drukgasgeïsoleerde installaties hun toepassing op plaatsen waar weinig ruimte beschikbaar is.

Naast de plaatsbesparing hebben deze installaties ook het voordeel dat zij niet van buitenaf beïnvloed worden. Hiertegenover staat wel een 10% hogere kostprijs bij de investering, maar het onderhoud komt dan weer op minder dan de helft per jaar.


Dergelijke gasdicht-metaalomsloten installaties vindt men ook op middenspanning terug. Het principe verschilt feitelijk niet, maar de afstanden van de geleiders tot de op grondpotentiaal staande delen zal uiteraard kleiner zijn.





3.3: Omsloten installaties
H
et omsloten schakelmateriaal is schakelmateriaal dat alleen een elektrische en mechanische afscherming biedt, zonder gasdicht uitgevoerd te zijn. Deze installaties kunnen gebruikt worden bij middenspanning en bij laagspanning.
4: SF6-schakelaars
SF6-schakelaars vinden hun toepassing in hoog- en middenspanningsinstallaties. Ten opzichte van andere media heeft SF6 uitmuntende isolerende eigenschappen. Bij gelijke druk en contactafstand is de doorslagspanning in SF6 twee- tot driemaal zo hoog als in lucht, en reeds bij 2 bar bereikt zij een waarde gelijk aan die van transformatorolie (150 kV/cm). De druk mag echter niet, ook niet tijdens de werking, groter worden dan 16 bar omdat anders het gas vloeibaar wordt.
SF6 heeft nog andere voordelen ten opzichte van andere ondebrekingsmilieu’s. De boog heeft voor dezelfde stroomsterkte een kleinere doorsnede. Het boogvolume is dus kleiner zodat de boogwarmte sneller afgevoerd wordt. Het herstel van de doorslagvastheid is ook sneller omwille van de uitgesproken elektronegativiteit van SF6.
Wanneer als onderbrekingsmidden voor schakelaars dit gas onder lichte overdruk gebruikt wordt, bieden deze schakelaars volgende voordelen:

  1. weinig of geen onderhoud van de contacten

  2. geschikt voor het onderbreken van hoge kortsluitstromen (meer dan 40 kA)

Er is echter het nadeel dat de constructie het lekvrij zijn van de schakelaar moet garanderen. Kleine lekken, die kunnen worden toegelaten in luchtdrukschakelaars (de compressor compenseert deze lekken) moeten bij SF6 schakelaars vermeden worden. Ook het binnendringen van vochtigheid is zeer nadelig en moet dus vermeden worden.


Opgemerkt mag worden dat het zuivere gas geen toxiciteit vertoont, al kunnen er door de boog producten gevormd worden met een zekere agressiviteit.
Bij SF6-schakelaars gebeurt het doven van de boog voornamelijk door toevoer van gedeïoniseerd gas dat onder druk aan de boog wordt toegevoegd. Zo worden de warme en de ontstane ladingsdragers van de boog verwijderd.
Men onderscheidt twee manieren waarop het toevoeren van blusgas kan gebeuren:

  • 1: Vanuit een uitwendig reservoir op hogere druk wordt gas toegevoerd aan de bluskamer.

  • 2: De stroom zorgt zelf voor het produceren van de gasstroming. Er wordt voldoende drukverschil ontwikkeld binnen de bluskamer zelf.

Ondat het eerste type SF6-schakelaar niet meer gebouwd wordt, gaan we er hier niet op in.


4.1: Eendrukschakelaar
In de zeventiger jaren werd steeds meer gebruik gemaakt van eendrukschakelaars. Hierbij wordt het SF6-gas pas bij het begin van de uitschakeling gecomprimeerd.
Tegelijkertijd met het uit elkaar gaan van de contacten, bouwt een zuiger in de schakelaar de druk op in een drukkamer. De samengedrukte SF6 kan tijdens het staan van de boog niet ontsnappen omdat de boog de ruimte tussen de contacten volledig vult. Pas indien de stroom zijn nuldoorgang nadert, vult de boog de ruimte niet meer en kan het SF6-gas de boog blussen.

4
.2: Zelfblusschakelaar




Sinds enkele jaren is een derde generatie SF6-schakelaars op de markt, namelijk de zelfblusschakelaar. Deze schakelaar gebruikt de energie van de boog zelf om het drukverschil op te bouwen en zo de boog te blussen bij nuldoorgang. Het opbouwen van het drukverschil vergt dus geen uitwendige energie meer. Dit wordt bereikt door een nauwkeurige positionering, dimensionering en geometrie van de drukkamer in de schakelaar.


Tijdens de boogfase wordt druk aan één kant van de drukkamer opgebouwd door de warmte van de boog zelf, waardoor er een drukverschil ontstaat. Evenals in de eendrukkamer, kan de SF6 niet via de contacten ontsnappen, omdat de boog de ruimte vult. De geometrie van de drukkamer is dusdanig ontworpen dat wanneer het SF6-gas voldoende drukverschil heeft opgebouwd, het gas tijdens de stroomnuldoorgang de geïoniseerde gassen afvoert naar veldloze delen en zo het heropkomen van de boog voorkomt.
Dit principe werkt echter niet bij het afschakelen van kleine stromen, omdat het opgebouwde drukverschil te klein is om de boog te doven. Daarom moet deze schakelaar nog een extra hulpblusvoorziening bevatten voor kleine stromen.
5
: Vacuümschakelaars

Een vacuümschakelaar bevat twee metalen contacten welke opgesloten zitten in een afgesloten ruimte waarin een hoogvacuüm (10-5 Pa) aanwezig is. Eén van deze twee contacten (ook elektrodes genoemd) is vast, de andere kan bewegen.


Wanneer de schakelaar gesloten is, dan zijn de twee contacten stevig tegen elkaar gedrukt zodat de stroom erdoorheen kan vloeien. Wanneer de schakelaar geopend moet worden, dan worden de twee contacten snel uit elkaar weggetrokken zodat er een boog gevormd wordt.
De boog zorgt er voor dat er metaaldeeltjes verdampen vanaf de warmste plaatsen van de elektrode-oppervlakken. Deze verdamping van het metaal gebeurt continu en de metaaldamp condenseert op het omhullende schild van de kamer waarin de contacten zich bevinden. Er is een evenwicht tussen de nieuw gevormde metaaldamp en de condenserende metaaldamp.
Bij een nuldoorgang van de stroom, dooft de boog. Inderdaad, de productie van nieuwe metaaldamp stopt terwijl het condenseren nog een tijdje doorgaat. Op die manier is er terug een echt vacuüm tussen de twee elektrodes die nu op een zekere afstand van elkaar verwijderd zijn.
Het vacuüm tussen de twee elektrodes is elektrisch isolerend met voldoende doorslagvastheid zodat er geen nieuwe boog ontstaat. De stroom is dus definitief onderbroken.
De vacuümschakelaar heeft enkele voordelige eigenschappen ten opzichte van andere schakelaars:


  1. De contacten vergen geen onderhoud en kunnen voor de levensduur van de schakelaar in vacuüm afgesloten blijven.

  2. De positie is willekeurig en de schakelaar is klein.

  3. Er is geen brand- of explosiegevaar.

  4. De vacuümschakelaar is geruisloos.

  5. De tijdsduur van een stroomonderbreking is stroomonafhankelijk zodat de boog steeds na de eerste nuldoorgang uitdooft. Men is dus ook in staat om snel terug in te schakelen.

Door deze goede eigenschappen ten opzichte van andere schakelaars worden vacuümschakelaars veelvuldig gebruikt in de middenspanning. Omdat de doorslagspanning als functie van de elektrodenafstand bij vacuüm vanaf een bepaalde waarde niet meer stijgt (zie de onderstaande figuur), hebben vacuümschakelaars een maximum wat uit te schakelen spanning per schakelaar betreft. Hoewel deze schakelaars in serie worden geschakeld om ook toepasbaar te zijn bij een hoger spanningsniveau, zijn de technische beperkingen te groot om bij hoogspanning te worden ingezet.


6
: Persluchtschakelaar

De bluskamer van een persluchtschakelaar is weergegeven in de onderstaande figuur. Bij een onderbreking wordt het bewegende contact naar beneden geduwd terwijl perslucht ook de onderkamer vult. Bij het verlaten van de vaste contacten wordt de perslucht door de boog geblazen. Alle gunstige voorwaarden voor een snelle boogdoving zijn nu verwezenlijkt:


  1. De ontsnappende perslucht voert de geïoniseerde gassen snel af, en ververst dus het milieu tussen de schakelcontacten.

  2. Door de verhoogde druk is de kritische gradiënt toegenomen (wet van Paschen). Bij een druk van 9,5 bar is de kritische gradiënt voor droge perslucht gelijk aan die van olie. Men gebruikt drukken van 7 tot 10 bar voor kleine onderbrekingsvermogens en men gebruikt drukken van 10 tot 16 bar voor grote onderbrekingsvermogens.

  3. Door de adiabatische expansie van de perslucht wordt de lucht sterk gekoeld, waardoor de kritische gradiënt verbetert.



Hoewel deze schakelaars veel voordelen gemeenschappelijk hebben met de SF6-schakelaars (snelle onderbreking, gemakkelijke snelle herinschakeling, weinig aantasting van de contacten), hebben zij ook specifieke voordelen:




  1. Eventuele lekken van perslucht zijn onschadelijk voor het milieu en kunnen gecompenseerd worden door een compressor.

  2. De werking is onafhankelijk van de temperatuur omdat met droge perslucht geen gevaar bestaat op het vloeibaar worden van de lucht.

  3. De schakelaars bogen op een lange ervaring en zijn tot voor de hoogste spanningen ontwikkeld (765 kV).

Uiteraard zijn er ook enkele nadelen:




  1. Men moet een installatie voor perslucht voorzien, maar die is vaak al voorhanden voor de pneumatische bediening zelf.

  2. De werking gaat met veel lawaai gepaard. Hoewel er knaldempers voorzien worden, blijft dit een serieus nadeel.

  3. Bij het onderbreken van kleine stromen is stroomafrukking te vrezen.


7: Olieschakelaars
Er bestaan olieschakelaars met groot olievolume en er bestaan oliearme schakelaars.

De schakelaars met groot olievolume worden vanwege het brandgevaar niet meer geconstrueerd. Ook de werking van oliearme schakelaars laten we hier achterwege. Meer informatie kunt u echter vinden in het boek “Productie, transport en distributie van elektriciteit” van D. Van Dommelen (Acco Leuven). Dit gehele hoofdstuk is trouwens voor een flink deel op dit boek geïnspireerd.


Een interessante website waar u heel wat informatie kunt terugvinden is http://www.eatonelectrical.com/unsecure/html/101basics/101basics.html .



De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina