Кіріспе

Автоматты схеманы қорғау құрылғысы

Тоқ өткізгіш – электр тізбегін, жабдықтың қауіпсіз көтере алатын токтан артық токтан (шамадан тыс ток) зақымданудан қорғауға арналған электр қауіпсіздігі құрылғысы. Оның негізгі функциясы – жабдықты қорғау және өрттің алдын алу үшін ток ағынын үзу. Сақтандырғыштан айырмашылығы, ол бір рет жұмыс істеп, содан кейін ауыстырылуы керек, ал тоқ өткізгішті қолмен немесе автоматты түрде қайта орнатуға болады, осылайша қалыпты жұмыс қайта басталады. Тоқ өткізгіштер әртүрлі ток номиналында жасалады – төмен ток тізбектерін немесе жеке үй шаруалық құралдарын қорғайтын құрылғылардан бастап, бүкіл қаланы қуатпен жабдықтауға арналған жоғары кернеулі тізбектерді қорғауға арналған коммутациялық жабдықтарға дейін. Шамадан тыс токтан, мысалы, тоқ өткізгіш немесе сақтандырғыш сияқты, ақаулы жүйеден автоматты түрде қуатты алып тастау арқылы қорғайтын кез келген құрылғыны токтан қорғау құрылғысы (OCPD) деп атауға болады.

Шығу тегі

Электр тораптарын бұзу құрылғыларының алғашқы түрін Томас Эдисон 1879 жылғы патент өтінімінде сипаттаған, бірақ оның коммерциялық электр қуатын тарату жүйесінде сақтандырғыштар қолданылған. Оның мақсаты – жарықтандыру тізбегінің сымдарын кездейсоқ қысқа тұйықталудан және жүктеменің артығынан қорғау болды. Қазіргі қолданыстағыларына ұқсас шағын автоматтік тоқ өшіргішке 1924 жылы Brown, Boveri & Cie компаниясы патент алды. Өз компаниясын Brown, Boveri & Cie компаниясына сатқан инженер Хьюго Стоц 458392 неміс патентінің авторы ретінде тіркелді. Стоцтың өнертабысы – бүгінгі күнге дейін үйлердегі электр тақталарында кеңінен қолданылатын термомагниттік автоматтік тоқ өшіргіштің алдағысы болды. Электр желісіне бірнеше генераторларды қосу үшін жоғары кернеуге төтеп беретін және желілерде туындайтын қысқа тұйықталу тоғын қауіпсіз түрде тоқтатуға қабілетті автоматтік тоқ өшіргіштерді жасау қажет болды. Жай ғана ауада ажыратылатын қолмен басқарылатын ажыратқыштар жоғары кернеулі тізбектерді ажыратқанда қауіпті доғалар тудыратын; олардың орнына майға батырылған контактілер, сондай-ақ доғаны салқындату және тоқтату үшін бағытталған қысымды ауа немесе май ағынын пайдаланатын түрлі конструкциялар келді. 1935 жылы Боулдер бөгеті жобасында қолданылған арнайы жасалған автоматтік тоқ өшіргіштерде сегіз тізбекті ажырату және 2500 МВА дейінгі ақауларды үш айныма ток циклында тоқтату үшін қысымды май ағыны пайдаланылды.

Арканың үзілуі

Төмен кернеудегі шағын автоматтар (АҚА) доғаны сөндіру үшін тек ауаны пайдаланады. Бұл автоматтарда доға сөндіргіштері деп аталатын, бір-бірінен оқшауланған параллель металл пластиналар тізбегі болады, олар доғаны бөліп, салқындатады. Доғаны кішірек доғаларға бөлу арқылы доға суытылады, доға кернеуі артады және автомат арқылы өтетін токты шектейтін қосымша кедергі ретінде қызмет етеді. Контактілерге жақын ток жүргізгіш бөліктер, ағым жолының магниттік күші арқасында доғаны доға сөндіргіштеріне оңай бұруға мүмкіндік береді, бірақ магниттік соққылау катушкалары немесе тұрақты магниттер де доғаны доға сөндіргіштеріне бұра алады (жоғары қуатты автоматтарда қолданылады). Доға сөндіргішіндегі пластиналардың саны автоматтың қысқа тұйықталу тогының және номиналды кернеуіне байланысты. Жоғары қуатты автоматтарда майлы автоматтар майдың бір бөлігін буландырып, майды доға арқылы қуатты ағынмен жібереді. Газды (әдетте күкірт гексафториді) автоматтар кейде магнит өрісін пайдаланып доғаны созады, содан кейін созылған доғаны сөндіру үшін күкірт гексафторидінің (SF6) диэлектрлік түзілу қабілетіне сенеді. Вакуумдық автоматтарда арқа өте аз болады (өйткені иондануға байланыс материалынан басқа ештеңе жоқ). Доға өте аз созылғанда (бірнеше миллиметрден кем) сөндіріледі. Вакуумдық автоматтар қазіргі заманғы орташа кернеулі коммутациялық жабдықтарда жиі қолданылады. Ауа автоматтары доғаны сөндіру үшін қысылған ауаны пайдалана алады, немесе контактілер тез кішкентай герметикалық камераға жылдам қозғалады, осылайша ығыстырылған ауаның шығуы доғаны сөндіреді. Автоматтар әдетте барлық токты өте жылдам тоқтатуға қабілетті: әдетте, доға механизм іске қосылғаннан кейін құрылғының жасына және конструкциясына байланысты 30 мс және 150 мс аралығында сөндіріледі. Автоматтардың сапасын анықтайтын максималды ток мәні және өткізілетін энергия.

Қысқа тұйықталу

Айналымдық автоматтер (circuit breakers) олар күтетін қалыпты токқа және олар қауіпсіз түрде үзіп алатын максималды қысқа тұйықталу тогына сәйкес бағаланады. Бұл соңғы көрсеткіш – автоматтің амперлік үзіліс қабілеті (AIC). Қысқа тұйықталу жағдайында есептелген немесе өлшенген максималды болашақ қысқа тұйықталу тогы тізбектің қалыпты, номиналды тогынан әлдеқайда артық болуы мүмкін. Электрлік контактілер үлкен токпен ашылғанда, ашылған контактілер арасында доға пайда болуға бейім, бұл ток ағынының жалғасуына мүмкіндік береді. Бұл жағдай өткізгіш иондалған газдар мен балқыған немесе буланып кеткен металлдың түзілуіне әкелуі мүмкін, бұл доғаның одан әрі жалғасуына немесе қосымша қысқа тұйықталуларға себеп болуы мүмкін, нәтижесінде айналымдық автомат пен оған орнатылған жабдықтың жарылуына соқтыруы мүмкін. Сондықтан айналымдық автоматтарда доғаны бөлуге және сөндіруге арналған әртүрлі құрылымдық элементтер қарастырылған. Автоматтың үзіп ала алатын максималды қысқа тұйықталу тогы сынақ арқылы анықталады. Егер автоматты тізбектің болашақ қысқа тұйықталу тогы автоматтың үзіліс қабілетінен жоғары схемада қолданса, автоматтың ақауды қауіпсіз түрде үзуіне кепілдік берілмейді. Ең нашар жағдайларда, автомат ақауды сәтті үзіп, қайта қосылғанда жарылуы мүмкін. Типтік тұрмыстық панельдердегі айналымдық автоматтар 6 (6000) амперлік қысқа тұйықталу тогын үзуге бағаланады. Бақылау тізбектерін немесе кішкентай құрылғыларды қорғау үшін қолданылатын миниатюралық айналымдық автоматтардың панельдік тақтада қолдануға жеткілікті үзіліс қабілеті болмауы мүмкін; осы автоматтар тарату типіндегі автоматтардан айыру үшін «қосымша тізбек қорғағыштары» деп аталады.

Стандартты ток рейтингтері

Айналымдық өшіргіштер стандартты номиналдармен, номиналдардың пайдалы таңдауын жасау үшін басым сан жүйесін қолдана отырып өндіріледі. Минималды тоқ өшіргіштерінің белгілі бір іске қосылу орнатылымы болады; жұмыс тогының шамасын өзгерту үшін бүкіл айналымдық өшіргішті ауыстыру қажет. Жоғары номиналды айналымдық өшіргіштерде реттелетін іске қосылу орнатылымдары болуы мүмкін, бұл орнатылған кезде қолданылатын нақты номиналдарға сәйкес келетін стандартталған өнімдерді аз пайдалануға мүмкіндік береді. Мысалы, 400 амперлік корпус өлшемі бар айналымдық өшіргіштің артық токқа реакция беру шегі, егер бұл номинал орынды болса, 300 амперге дейін орнатылуы мүмкін. Төмен кернеуді тарату тізбектеріндегі айналымдық өшіргіштер үшін халықаралық стандарт IEC 60898-1 номиналды токты айналымдық өшіргіштің үздіксіз жүре алатын максималды тогы ретінде анықтайды. Номиналды ток үшін ең көп қолданылатын басым шамалар: 1А, 2А, 4А, 6А, 10А, 13А, 16А, 20А, 25А, 32А, 40А, 50А, 63А, 80А, 100А және 125А. Айналымдық өшіргіштің алдындағы әріппен ампермен көрсетілген номиналды тогы белгіленеді, ол номиналды токқа қатысты бірден іске қосылатын токты көрсетеді, бұл айналымдық өшіргішті уақыт кешіктірусіз іске қосуға себеп болады:
Тип Бірден іске қосылатын ток B 3–5 есе номиналды ток, мысалы, 10А номиналды құрылғы 30–50А кезінде іске қосылады C 5–10 есе D 10–20 есе K 8–12 есе
Қалыпты жұмыс кезінде жиі қысқа мерзімді (шамамен 400 мс-ден 2 с-қа дейін) токтың жоғарылауын тудыратын жүктемелерді қорғау үшін Z 2–3 есе, ондаған секундқа созылатын. Жартылай өткізгіш құрылғылар немесе ток трансформаторларын пайдаланатын өлшеу тізбектері сияқты жүктемелерді қорғау үшін. Айналымдық өшіргіштердің номиналы олар өшіре алатын максималды қысқа тұйықталу тогы бойынша да анықталады; бұл, мысалы, ірі коммерциялық ғимараттың тарату жүйесінде кездесетін жоғары қысқа тұйықталу тогын дамыта алмайтын жүйелерде экономикалық құрылғыларды пайдалануға мүмкіндік береді. АҚШ-та Underwriters Laboratories (UL) ғимараттарда қолданылатын айналымдық өшіргіштер жабдықтарының сериялық номиналдарын (немесе "біріктірілген жабдық номиналдарын") сертификаттайды. Өнеркәсіптік немесе электр қуат жүйелерінде қолданылатын қуат айналымдық өшіргіштері және орташа және жоғары кернеулі айналымдық өшіргіштер ANSI немесе IEEE стандарттарының C37 сериясына сәйкес жобаланып, сынақтан өтеді. Мысалы, C37.16 стандарты 600-ден 5000 амперге дейінгі диапазондағы қуат айналымдық өшіргіштері үшін ең қолайлы корпус өлшемімен берілген ток номиналдарын тізімдейді. Бұл өшіргіштердің іске қосылу тогының орнатылымдары мен уақыт-ток сипаттамалары әдетте реттеледі. Орташа және жоғары кернеулі айналымдық өшіргіштер коммутаторларда, қосалқы станцияларда және электр станцияларында қолданылса, салыстырмалы түрде аз стандартты корпус өлшемдері өндіріледі. Бұл айналымдық өшіргіштер әдетте жеке қорғаныш релелік жүйелерімен басқарылады, бұл реттелетін іске қосылу тогы мен уақытын орнатуға, сондай-ақ күрделірек қорғаныс схемаларын жасауға мүмкіндік береді.

Түрлері

Кернеу класы, құрылыс түрі, токты үзу тәсілі және құрылымдық ерекшеліктері сияқты белгілеріне сүйене отырып, автоматты ажыратқыштарды көптеген түрлерге жіктеуге болады.

Қатты күйдегі

Қатты күйдегі автоматтар (SSCB), сонымен қатар цифрлық автоматтар деп те аталады, – бұл тоқ өткізгіш технологиясын механикалық деңгейден электрлік деңгейге көшіруге мүмкіндік беретін технологиялық жаңалық. Бұл бірнеше артықшылықтарды ұсынады, мысалы, әлдеқайда жылдам әрекет ету (электр тізбектерін микросекундтың үлесінде өшіру), тізбек жүктемелерін жақсырақ бақылау және қызмет ету мерзімін ұзарту. Қатты күйдегі автоматтар орташа кернеулі тұрақты ток үшін жасалған және коммутация үшін кремний карбидті транзисторларды немесе интегралды шлюздік коммутацияланған тиристорларды (IGCT) пайдалана алады.

Магниттік

Магниттік торап бұзаулары соленоидты (электромагнитті) пайдаланады, оның тарту күші токпен бірге артады. Кейбір конструкциялар соленоид күштерімен қатар электромагниттік күштерді де пайдаланады. Торап бұзауларының контактілері құлыппен жабылып тұрады. Соленоидтегі ток торап бұзауларының номиналдық тогынан асып кеткенде, соленоидтың тартуы құлыпты босатып, контактілерді серіппе күшімен ашады. Олар АҚШ-та ең көп қолданылатын торап бұзаулары болып табылады.

Термомагниттік

Еуропада және ұқсас сымдау жүйесі бар елдердегі көптеген тарату тақталарында кездесетін термомагниттік автоматтік өшіргіштер екі техниканы біріктіреді: электромагнит тоқтың күрт өсуіне (мысалы, қысқа тұйықталуға) дереу ден қояды, ал биметалдық таспа тоқтың аз, бірақ ұзақ мерзімді артық жүктемелеріне ден қояды. Автоматтік өшіргіштің жылулық бөлігі уақыт бойынша реакция беру мүмкіндігін қамтамасыз етеді, яғни үлкен артық жүктемелерде өшіргішті жылдамырақ іске қосады, ал кішігірім артық жүктемелерге ұзақ уақытқа төзуге мүмкіндік береді. Бұл мотор немесе басқа да кедергісіз жүктеме қосылғанда пайда болатын қысқа мерзімді тоқ импульстарын қалыпқа келтіреді. Егер қысқа тұйықталу сияқты өте үлкен артық жүктеме туындаса, магниттік элемент кез келген қосымша кешігусіз автоматтік өшіргішті іске қосады.

Магниттік-гидравликалық

Магниттік-гидравликалық тоқалғыш контактілерді ашу үшін жұмыс күшін беру үшін соленоидты катушканы пайдаланады. Магниттік-гидравликалық тоқалғыш тұтқыр сұйықтықты пайдаланып, гидравликалық уақытты кешіктіру мүмкіндігін қамтиды. Серіппелер ток номиналдық мәнінен асып кеткенше өзекке кедергі келтіреді. Артық жүктеме кезінде соленоидтың қозғалыс жылдамдығы сұйықтықпен шектеледі. Бұл кешігу қозғалтқышты іске қосу, жабдықты қосу сияқты қалыпты жұмыс тогынан жоғары қысқа мерзімді тоқ күшін қабылдауға мүмкіндік береді. Қысқа тұйықталған токтар өзек позициясына қарамастан, құлыпты босату үшін жеткілікті соленоид күшін қамтамасыз етеді, осылайша кешігу мүмкіндігін айналып өтеді. Сыртқы температура уақытты кешіктіруге әсер етеді, бірақ магниттік тоқалғыштың ток номиналына әсер етпейді. 1000 вольттан жоғары тізбектерде қолданылатын үлкен қуатты тоқалғыш, контактілерді басқару механизміне гидравликалық элементтерді қосуы мүмкін. Гидравликалық энергия сорғы арқылы берілуі немесе аккумуляторларда сақталуы мүмкін. Бұл майға толы тоқалғыштардан ерекшеленетін типті құрайды, онда май доғаны сөндіру ортасы болып табылады.

Жалпы (банкті) бұрандалар

Бірнеше тізбекте кез келген ақаудан бір мезгілде ажырату үшін автоматтік қосқыштар жиынтық түрінде жасалуы мүмкін. Бұл үш фазалық жүйелерде жиі кездесетін талап, онда ажырату үш немесе төрт полюсті (тұрақты немесе коммутациялық нейтраль) болуы мүмкін. Кейбір өндірушілер бір фазалық автоматтік қосқыштардың топтарын қажет болған жағдайда бір-бірімен байланыстыруға мүмкіндік беретін жиынтықтарды жасайды. АҚШ-та, бөлінген фазалық желілер кең таралғандықтан, бірден көп тоқ өткізгіші бар тізбекте әрбір тоқ өткізгіш автоматтік қосқыш полюсімен қорғалуы керек. Барлық тоқ өткізгіштерінің кез келген полюстің іске қосылуымен ажыратылуын қамтамасыз ету үшін, бірдей іске қосылатын автоматтік қосқыштар жинағы қолданылуы керек. Олар бір корпус ішінде екі немесе үш іске қосу механизмін қамтуы мүмкін немесе кішкентай автоматтік қосқыштар үшін олардың басқару тұтқалары арқылы сырттан байланыстырылуы мүмкін. Екі полюсті бірдей іске қосылатын автоматтік қосқыштар 120/240 вольт жүйелерінде жиі қолданылады, онда 240 вольт жүктемелері (ірі тұтынушылар немесе қосымша тарату тақталары) екі тоқ өткізгіш сымды қамтиды. Үш полюсті бірдей іске қосылатын автоматтік қосқыштар әдетте қуатты моторларды немесе қосымша тарату тақталарын үш фазалық қуатпен жабдықтау үшін қолданылады. Жеке автоматтік қосқыштарды тоқ өткізгіш және нейтраль үшін пайдалануға болмайды, себебі егер нейтраль ажыратылса, ал тоқ өткізгіш қосылған күйде қалса, өте қауіпті жағдай туындайды: тізбек тоқтан бос болып көрінеді (құралдар жұмыс істемейді), бірақ сымдар тоқтандырылған күйде қалады және кейбір қалдық тоқ құрылғылары (QRC) егер біреу тоқ өткізгіш сымға тисе, іске қосылмайды (себебі кейбір QRC-ге іске қосылу үшін қуат қажет). Сондықтан, нейтраль сымын коммутациялау қажет болған кезде тек бірдей іске қосылатын автоматтік қосқыштарды ғана пайдалану керек.

Шант-трип құрылғылары

Шант-трип блогы қарапайым автоматқа ұқсас көрінеді және жылжымалы механизмдер автоматтың әдеттегі механизмдерімен бірге жұмыс істеу үшін біріктірілген, бірақ шант-трип – ток емес, сыртқы тұрақты кернеу сигналымен, әдетте жергілікті желілік кернеумен немесе тұрақты токпен басқарылатын соленоид. Олар көбінесе өрт немесе су тасқыны дабылы берілгенде, немесе кернеудің артық болуы сияқты басқа да электрлік жағдайлар туғанда, қауіпті жағдайларда қуатты тоқтату үшін қолданылады. Шант-триптер стандартты автоматқа қолданушы орнататын қосымша құрылғы ретінде немесе автоматтың құрамына кіріктірілген күйде жеткізілуі мүмкін.

Күлтегiш гексафторид (SF6) жоғары кернеу

Күкірт гексафторидті торап сөндіргіш доғаны сөндіру үшін күкірт гексафторид газымен қоршалған контактілерді пайдаланады. Олар көбінесе беру деңгейіндегі кернеулерде қолданылады және газбен оқшауланған ықшам қосқыштарға енгізілуі мүмкін. Суық климатта, SF6 газының сұйылуына байланысты жоғары кернеулі торап сөндіргіштер үшін қосымша жылыту немесе басқа газ қоспалары қолданылады. Кейбір солтүстік электр желілерінде газдың сұйылуын болдырмау үшін, буферлік типтегі HVCB-ге N2 және SF6 немесе CF4 және SF6 газ қоспалары орнатылады. https://ieeexplore. ieee. org/abstract/document/4080767. Бұл модельдердің ең төменгі температуралық көрсеткіштері кейбір солтүстік подстанциялары үшін -50 °C-қа дейін жетеді.

Ажыратушы ток бұрандасы (DCB)

Ажыратушы ток қосқышы (DCB) 2000 жылы енгізілді және SF6 қосқышының үлгісі бойынша жасалған жоғары кернеулік ток қосқышы болып табылады. Бұл техникалық шешім ажырату функциясын ажырату камерасына біріктіреді, бөлек ажырату құрылғыларын қажет етуді жояды. Бұл қызметке қолжетімділікті арттырады, себебі ашық ауадағы ажырату қосқыштарының негізгі контактілерін 2–6 жыл сайын күтіп ұстау қажет, ал қазіргі заманғы ток қосқыштарын 15 жылда бір рет күтіп ұстауға болады. DCB шешімін енгізу сонымен қатар қосалқы станция ішіндегі кеңістікті азайтады және жеке ажырату құрылғыларының болмауына байланысты сенімділікті арттырады. Қосалқы станцияға қажетті кеңістікті одан әрі азайту және станцияның жобалау мен инженериясын жеңілдету үшін DCB-ге оптикалық талшықты ток сенсорын (FOCS) қосуға болады. Интеграцияланған FOCS-ы бар 420 кВ DCB, ажыратушылар мен ток трансформаторлары бар дәстүрлі резервуарлы қосқыштарға қарағанда қосалқы станцияның ауданын 50%-дан астам азайта алады, себебі материалдың азаюы және қосымша оқшаулау қажеттілігінің болмауына байланысты.

Көмірқышқыл газы (CO2) жоғары кернеу

2012 жылы ABB компаниясы 75 кВ жоғары кернеулі тоқ өшіргішін ұсынды, ол доғаны сөндіру үшін орта ретінде көмірқышқыл газын пайдаланады. Көмірқышқыл газымен жұмыс істейтін тоқ өшіргіш, SF6 тоқ өшіргіш сияқты бірдей принциптер бойынша жұмыс істейді және ажыратушы тоқ өшіргіш ретінде де жасалуы мүмкін. SF6-дан CO2-ге көшу арқылы өнімнің өмірлік циклында 10 тоннаға дейін CO2 шығарындыларын азайтуға болады.

"Ақылды" сымдарды бұзатын құрылғылар

Бірнеше компания электр құрылғыларын электрондық құрылғылар арқылы бақылауды немесе тоқ өткізгіштерді қашықтан бақылау үшін цифрлық тоқ өткізгіштерді пайдалануды қарастырды. АҚШ-тағы коммуналдық қызметтер компаниялары электр құрылғыларын қосу және өшіру технологиясын пайдалануды, сондай-ақ электр жүктемесі жоғары кезеңдерде электр көліктерін зарядтауды тоқтату мүмкіндігін қарастырып жатыр. Зерттеулер мен сынақтардан өтіп жатқан бұл құрылғылар смартфон қосымшасы немесе басқа тәсілдер арқылы үйдегі электр тұтынуын сымсыз түрде бақылау мүмкіндігіне ие болады.