Электр жүйесінің басқару аппаратурасы

Кіріспе

Электр энергиясы жүйесінің басқару аппаратурасы

Электр энергиясы жүйесінде, электр жабдықтарын басқару, қорғау және оқшаулау үшін қолданылатын электрлік ажыратқыштар, сақтандырғыштар немесе автоматтық ажыратқыштардан тұратын коммутациялық аппараттар болады. Коммутациялық аппараттар жабдықты тоқтан ажырату және жүйедегі ақауларды жою үшін қолданылады. Осындай жабдықтардың жұмыс істеуі электрмен жабдықтаудың сенімділігіне тікелей байланысты. Алғашқы орталық электр станцияларында қарапайым ашық ажыратқыштар қолданылды, олар мәрмәр немесе асбесттен жасалған оқшаулағыш панельдерге орнатылды. Қуат деңгейі мен кернеу тез өсті, сондықтан қолмен ажыратқыштарды ашу энергиясы тоқтатылған тізбекті оқшаулаудан басқа жағдайларда қауіпті болды. Майға толы коммутациялық жабдықтар доға энергиясын ұстап, қауіпсіз басқаруға мүмкіндік береді. 20 ғасырдың басында коммутациялық желі металл корпусқа орнатылған құрылым болып табылды, онда майлы автоматтық ажыратқыштарды пайдаланатын электрмен басқарылатын ажыратқыш элементтері болды. Бүгінде майға толы жабдықтар көбінесе ауалық, вакуумдық немесе SF6 жабдықтарымен алмастырылды, бұл үлкен тоқ пен қуат деңгейін автоматты жабдықтармен қауіпсіз басқаруға мүмкіндік береді. Жоғары кернеулі коммутациялық аппараттар 19 ғасырдың соңында электр моторларын және басқа электр машиналарын басқару үшін ойлап табылды. Технология уақыт өте келе жақсартылды және қазір 1100 кВ кернеуге дейін қолданылуда. Әдетте, подстанциялардағы коммутациялық аппараттар үлкен қуат трансформаторларының жоғары және төмен кернеу жақтарында орналасқан. Трансформаторлардың төмен кернеу жағындағы коммутациялық аппараттар ғимаратта орналасуы мүмкін, онда тарату тізбектері үшін орташа кернеулі автоматтық ажыратқыштар, сондай-ақ өлшеу, басқару және қорғау жабдықтары болады. Өнеркәсіптік қолданыстар үшін трансформатор мен коммутациялық аппараттар бір корпусқа біріктірілуі мүмкін, мұндай жабдық біріктірілген подстанция (БПС) деп аталады. Visiongain зерттеу компаниясының соңғы зерттеулеріне сәйкес, әлемдік коммутациялық аппараттар нарығы 2029 жылға қарай 5,9% CAGR көрсеткішімен 152,5 миллиард долларға жетеді деп күтілуде. Жаңартылатын энергия көздеріне инвестициялардың өсуі және қауіпсіз және сенімді электр тарату жүйелеріне сұраныстың артуы осы өсімді қамтамасыз етеді деп күтілуде.

In an electric power system, a switchgear is composed of electrical disconnect switches, fuses or circuit breakers used to control, protect and isolate electrical equipment. Switchgear is used both to de energize equipment to allow work to be done and to clear faults downstream. This type of equipment is directly linked to the reliability of the electricity supply. The earliest central power stations used simple open knife switches, mounted on insulating panels of marble or asbestos. Power levels and voltages rapidly escalated, making opening manually operated switches too dangerous for anything other than isolation of a de energized circuit. Oil filled switchgear equipment allows arc energy to be contained and safely controlled. By the early 20th century, a switchgear line up would be a metal enclosed structure with electrically operated switching elements using oil circuit breakers. Today, oil filled equipment has largely been replaced by air blast, vacuum, or SF6 equipment, allowing large currents and power levels to be safely controlled by automatic equipment. High voltage switchgear was invented at the end of the 19th century for operating motors and other electric machines. The technology has been improved over time and can now be used with voltages up to 1,100 kV. Typically, switchgear in substations is located on both the high and low voltage sides of large power transformers. The switchgear on the low voltage side of the transformers may be located in a building, with medium voltage circuit breakers for distribution circuits, along with metering, control, and protection equipment. For industrial applications, a transformer and switchgear line up may be combined in one housing, called a unitized substation (USS). According to the latest research by Visiongain, a market research company, the worldwide switchgear market is expected to achieve $152.5 billion by 2029 at a CAGR of 5.9%. Growing investment in renewable energy and enhanced demand for safe and secure electrical distribution systems are expected to generate the increase.

Функциялар

Қосқыштардың негізгі функцияларының бірі – қорғау, яғни қысқа тұйықталу мен жүктеме артық тоғын тоқтату, бұл ретте бұзылмаған тізбектерге қызмет көрсетуді сақтау. Қосқыштар электр қуатынан тізбектерді оқшаулауды да қамтамасыз етеді. Сондай-ақ, жүктемеге бірнеше көзден қуат беруге мүмкіндік жасау арқылы жүйе сенімділігін арттыру үшін де қолданылады.

Тарих

Электр энергиясын өндірумен бірге коммутаторлар да пайда болды. Алғашқы үлгілер өте қарапайым болды: барлық бөліктер тікелей қабырғаға бекітілді. Кейіннен олар ағаш панельдерге орнатылды. Өрт қауіпсіздігі үшін ағаш шифер немесе мәрмәрге алмастырылды. Бұл одан әрі жақсартуға мүмкіндік берді, себебі коммутациялық және өлшеу құралдарын алдыңғы жағына, ал сымдарын артқы жағына орнатуға болады.

Тұрғын үй

Төмен кернеуге арналған коммутациялық жабдықтар ғимарат ішінде толығымен жабылуы мүмкін. Жоғары кернеулер үшін (шамамен 66 кВ-тан жоғары) коммутациялық жабдық әдетте сыртқа орнатылады және ауамен оқшауланады, бірақ бұл үлкен аумақ талап етеді. Газбен оқшауланған коммутациялық жабдық ауамен оқшауланған жабдыққа қарағанда көлемді үнемдейді, алайда жабдықтың құны жоғарырақ. Маймен оқшауланған коммутациялық жабдық май төгілу қаупін тудырады. Коммутаторлар қолмен немесе қашықтан басқаруға мүмкіндік беретін моторлық жетектермен жабдылуы мүмкін.

Айналымның бұрандаларының түрлері

Коммутаторлық жабдық қарапайым ашық ауадағы ажыратқыштан тұруы мүмкін, немесе басқа материалмен оқшаулануы мүмкін. Газбен оқшауланған (ГИС) коммутаторлық жабдық – тиімді, бірақ қымбат түрі, онда өткізгіштер мен контактілер қысыммен ұсталған күкірт гексафториді (SF6) газымен оқшауланады. Тағы да кең таралған түрлері – маймен немесе вакууммен оқшауланған коммутаторлық жабдықтар. Коммутаторлық жабдық корпусының ішіндегі жабдықтардың үйлесімділігі мыңдаған амперлік ақау тоғын тоқтатуға мүмкіндік береді. Ақау тоғын үзуге арналған негізгі құрылғы – коммутаторлық жабдық корпусының ішіндегі автоматтік ажыратқыш. Автоматтік ажыратқыш контактілерді ажыратқанда (тізбекті үзіп) пайда болатын доғаны сөндіру үшін мұқият есептеу қажет. Автоматтік ажыратқыштар алты түрге бөлінеді:

Мұнай

Мұнайлы тораптарды өшіру құрылғылары мұнайдың бір бөлігінің булануына сүйеніп, доғаның жолы бойымен мұнай ағынын ұшырады. Доғаның пайда болуынан бөлінетін бу сутек газынан тұрады. Минералдық май ауадан жақсырақ оқшаулағыш қасиеттерге ие. Мұнайда ток жүргізгіш контактілер ажыраған кезде, торапты өшіру құрылғысындағы доға контактілердің ажыратылу сәтінде пайда болады, және осы доғаның нәтижесінде май буланып, көбінесе сутек газына ыдырайды, соңында электр доғасының айналасында сутек көпіршігін құрайды. Доғаның айналысындағы жоғары қысымды газ көпіршігі ток циклдың нөлдік нүктесіне жеткеннен кейін доғаның қайтадан тұтануына жол бермейді. Мұнайлы торапты өшіру құрылғысы – торапты өшіру құрылғыларының ең ерте түрінің бірі.

Ауа

Ауа тораптары қысылған ауаны (итеру) немесе доғаның өзінің магниттік күшін пайдаланып, доғаны созуға мүмкіндік береді. Доғаның тұрақты ұзындығы қолданылатын кернеуге байланысты болғандықтан, созылған доға белгілі бір уақыттан соң өшеді. Басқа нұсқада, контактілер жылдам түрде кішкентай, герметикалық жабық камераға жылжытылады, ал ығыстырылған ауаның шығуы доғаны сөндіреді. Ток өшіргіштер токтың ағынын өте жылдам тоқтатуға қабілетті: әдетте құрылғының жасына және конструкциясына байланысты 30 мс-тан 150 мс-қа дейін.

Газ

Газ (SF6) қосқыштары кейде магниттік өріс арқылы доғаны ұзартады, содан кейін SF6 газының диэлектрлік қасиеттеріне сүйеніп, созылған доғаны өшіреді.

Гибридті

Гибридті қосқыш жабдығы – бұл дәстүрлі ауа оқшауланған қосқыш жабдығының (AIS) және SF6 газбен оқшауланған қосқыш жабдығының (GIS) технологияларын үйлестіретін тип. Ол бір модульде бірнеше функцияны біріктіретін ықшам және модульдік құрылыммен ерекшеленеді.

Вакуум

Вакуумдық үзілгіштермен жабдықталған автоматтердің доғалық сипаттамалары ең төменгі деңгейде болады (өйткені иондануға байланыс материалдары ғана қабілетті), сондықтан доға аз ғана созылғанда (<2–8 мм) сөніп қалады. Ток нөлге жақын болғанда, доға плазманы сақтау үшін жеткілікті қыздырылмайды және ток тоқтатылады; ол олқылық кернеудің өсуіне қарсы тұра алады. Вакуумдық автоматтер қазіргі заманғы орта кернеулі ажыратқыштарда 40 500 вольтқа дейін жиі қолданылады. Басқа типтерден айырмашылығы, олар DC ақауларын тоқтатуға ең қолайсыз. Вакуумдық автоматтардың жоғары DC кернеуін үзуге жарамсыз болуының себебі – DC тогында "ток нөлдік" кезең болмайды. Плазмалық доға байланыс материалының газдануын жалғастыра отырып, өзін-өзі қамтамасыз ете алады.

Көмірқышқыл газы

Көмірқышқыл газын оқшаулағыш және доғаны сөндіру ортасы ретінде пайдаланатын автоматты ажыратқыштар күкірт гексафториді (SF6) ажыратқыштарымен бірдей принциптер бойынша жұмыс істейді. SF6 көмірқышқыл газына қарағанда әлдеқайда күшті парниктік газ болғандықтан, SF6-дан CO2-ге ауысу арқылы өнімнің өмірлік циклы барысында парниктік газ шығарындыларын 10 тоннаға дейін азайтуға болады.

Электр сымдарын бұзатын құрылғылар мен сақтандырғыштар

Тоқ күші алдын ала белгіленген қауіпсіз деңгейден асып кеткен кезде, автоматтық қосқыштар мен сақтандырғыштар тоқты үзеді. Бірақ, олар басқа да маңызды ақауларды, мысалы, теңгерімсіз тоқтарды – мысалы, трансформатор орамасы жерге тиген кезде – анықтай алмайды. Автоматтық қосқыштар мен сақтандырғыштар өздерінен қысқа тұйықталу мен электр тұтынымының жоғары деңгейін ажырата алмайды.

Мерц-Прайс айналыстағы ағымдағы схемасы

Дифференциалдық қорғау Кирхгоффтың ток заңына негізделген, ол бойынша схема түйініне кіретін немесе одан шығатын токтардың қосындысы нөлге тең болуы тиіс. Осы принципті дифференциалдық қорғауды іске асыру үшін пайдалана отырып, өткізгіш жолдың кез келген бөлігі түйін ретінде қарастырылуы мүмкін. Өткізгіш жол – беру желісі, трансформатордың орамы, мотордың орамы немесе генератордың статорындағы орам болуы мүмкін. Бұл қорғау түрі өткізгіш жолдың екі ұшы физикалық жақын орналасқанда тиімді жұмыс істейді. Бұл схеманы Ұлыбританияда Чарльз Хестерман Мерц және Бернард Прайс ойлап тапқан. Трансформатордың, статордың немесе басқа да құрылғының әрбір орамы үшін екі бірдей ток трансформаторы қолданылады. Ток трансформаторлары орамның қарама-қарсы ұштарына орналастырылады. Екі ұштан өтетін ток шамасы бірдей болуы керек. Қорғау релесі токтардың кез келген тепе-теңсіздігін анықтап, құрылғыны желіден ажырату үшін автоматты ажыратқыштарды (circuit breakers) іске қосады. Трансформатор жағдайында, бірінші және екінші жақтанғы автоматты ажыратқыштар ашылады.

Қашықтық релелері

Ұзын беріліс желісінің соңындағы қысқа тұйықталу, беріліс желісінің кедерісі ақау тогын шектегендіктен, қалыпты жүктемеге ұқсас болып көрінеді. Қашықтық релесі беріліс желісіндегі кернеу мен ток арақатынасын салыстыру арқылы ақауды анықтайды. Кернеудің төмендеуімен қатар үлкен ток ақаудың бар екенін көрсетеді.

Қауіпсіздік

Қосымша құрылғылардың қауіпсіз жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін кілтті тұтқындау алдын ала белгіленген жұмыс сценарийлерін ұсынады. Мысалы, егер екі қуат көзінің тек біреуін ғана белгілі бір уақытта қосуға рұқсат берілсе, тұйықталу схемасы екінші қосқышты жабуға мүмкіндік беретін кілтті босату үшін бірінші қосқышты ашуды талап етуі мүмкін. Күрделі схемалар да болуы мүмкін. Ішкі қосымша құрылғылар ішкі доғаны ұстауға арналған типтік сынақтан өтуі мүмкін (мысалы, IEC 62271 200). Бұл сынақ пайдаланушы қауіпсіздігі үшін маңызды, өйткені қазіргі заманғы қосымша құрылғылар үлкен токты ауыстыра алады. Жүйенің күйін бағалау және ақаулар пайда болғанға дейін болжау үшін қосымша құрылғылар көбінесе жылулық бейнелеу арқылы тексеріледі. Басқа әдістерге инерциялық разрядты (PD) сынау, тұрақты немесе портативті тестерді пайдалана отырып, және сыртқы қосымша құрылғыларда қолданылатын (май жабдықтары үшін) немесе ультрадыбыстық детекторларды пайдалана отырып, акустикалық эмиссияны сынау жатады. Қосымша құрылғыларға қосылатын кабельдерге орнатылған температура сенсорлары температураның көтерілуін үнемі бақылай алады. SF6 жабдықтары әдетте қысымның төмендеуі туралы ескерту үшін және қысым тым төмен болса жұмысты тоқтату үшін дабылдармен және тұйықтамалармен жабдықталады. Жоғары ақаулық деңгейлерімен байланысты қауіптер туралы хабардарлықтың артуы желі операторларын жерлеу қосқыштары мен ажыратқыштарды жабық күйде пайдалануды талап етуге алып келді. Көптеген еуропалық энергетикалық компаниялар операторларды жұмыс істеп тұрған кезде қосымша құрылғылар бөлмелеріне кіруге тыйым салған. Операторға арнайы қорғаныш киімдерін киместен, қашықтан қосымша құрылғыларды ажыратуға мүмкіндік беретін қашықтықтан басқару жүйелері бар. Қосымша құрылғылар жүйелерінің қауіпсіз пайдаланылуын қамтамасыз ету және осындай жоғары кернеуді тиімді қамтамасыз ету үшін үздіксіз техникалық қызмет көрсету мен жөндеуді қажет етеді.