Про выключатели и еще немного про РЗА⁠⁠

После о прошлого поста на меня подписалось аж 42 человека, поэтому я продолжаю свои попытки рассказать простыми словами о своей работе. Чтобы пост не превращался в учебник, я вынужден делать некоторые допущения, поэтому прошу тех, кто в теме, понять и простить. Если я в чем-то ошибусь – пожалуйста, напишите об этом в комментариях.

Под прошлым постом комментаторы резонно заметили, что РЗА есть далеко не в каждой ТП, так как вместо выключателей для защиты от КЗ могут применяться плавкие предохранители. Думал про них написать, но это уже сделали до меня, почитать можно тут Изобретаем предохранитель

Сегодняшний пост, как нетрудно догадаться из названия, будет про выключатели. Они есть в каждой квартире, все мы ими регулярно пользуемся, и начать я бы хотел именно с бытовых выключателей, как самых простых по своему внутреннему устройству.

Автоматический выключатель, он же автомат.

Когда мы поднимаем рычаг управления, подвижный и неподвижный контакты внутри выключателя замыкаются между собой, и наоборот. Так же в нём есть:
1) Дугогасительная камера – представляет собой что-то вроде лабиринта, попадая в который дуга, образующаяся при отключении, удлиняется и гаснет без вреда для самого выключателя.
2) Встроенная защита – от КЗ и перегрузок.
Защита от КЗ («электромагнитный расцепитель») представляет собой катушку с подвижным сердечником, через которую проходит ток нагрузки. При превышении определенного значения тока сердечник катушки мгновенно втянется и нажмет на защелку, которая освободит возвратную пружину, и автомат отключится.
Защита от перегрузки («тепловой расцепитель») представляет собой биметаллическую пластину, которая при протекании большого тока начитает нагреваться и изгибаться. Если перегрузка продлится дольше допустимого, пластина, изогнувшись, дотянется до защелки возвратной пружины и автомат отключится.

Про УЗО уже было подробно написано тут, повторяться не вижу смысла Чтобы током не убило. Всё про УЗО
Если кратко, то УЗО защищает человека от удара током.

Дифференциальный автомат, он же дифавтомат.
Если в обычный автомат добавить УЗО, получится дифавтомат. Вот, собственно, и всё.

Про бытовые автоматы вроде рассказал, теперь перейдем к высоковольтным. Принципиальных отличий между автоматом в вашем квартирном щитке и высоковольтным выключателем в ТП по сути нет. Разница в уровне напряжения влияет только на размеры, принцип работы остается тем же, КЗ – оно и в Африке КЗ. Чтобы не путаться, я буду называть бытовой автоматический выключатель «автоматом», а высоковольтный промышленный – «выключателем».

Итак, высоковольтный выключатель. Конкретно этот – масляный, типа ВМГ-133, на напряжение 10 кВ. Данный тип выключателя уже давно морально устарел, но он до сих пор повсеместно эксплуатируется и существенно не отличается от более компактных и современных.

На чертеже поз. 18 — это подвижный контакт, при включении он посредством системы тяг и рычагов опускается вниз, в бак с маслом (15), внутри которого установлена розетка (неподвижный контакт). При отключении всё наоборот. Ток в нашем выключателе протекает так: через шины (5), гибкую связь (6), контакт (18), розетку (внутри бака 15) и шины (14). Если сравнить с автоматом, то внутри выключателя остались только подвижный и неподвижный контакты, автоматика вынесена наружу, в привод выключателя (1), а защита – в терминал РЗА.

Вручную такой выключатель обычно не включают, так как сам процесс достаточно неудобный. Сам выключатель стал гораздо больше бытового, отключает он гораздо бОльшие токи и возвратная пружина там соответствующая. Поэтому процесс включения и отключения автоматизирован, всю работу делают мощные электромагниты, пружину взводит электродвигатель, а человек только нажимает кнопку. Электродвигатель заводки пружин, электромагниты управления и вся сопутствующая механика (редуктор, пружины, рычаги) называется «привод». Для питания привода выключателя используется постоянное напряжение 220 Вольт – так называемый «оперативный ток», от которого так же запитаны и устройства РЗА. Постоянка используется для надежности, любой источник оперативного тока содержит в себе аккумуляторную батарею, так что даже если всё вокруг погаснет, выключателями можно будет управлять и РЗА будет работать. Как правило, емкость батареи рассчитана на 2-3 часа автономной работы, на практике может быть и гораздо больше. На фото ниже современный шкаф оперативного тока (ШОТ). Обычно на подстанцию ставится один такой шкаф для питания всех выключателей и РЗА. Подстанция – это тоже ТП, но побольше (да простят меня коллеги за такое грубое сравнение).

В нижней части видны 17 батарей Дельта по 13 вольт каждая, соединенные последовательно батареи дают 220 вольт. Шкаф на фото имеет небольшую емкость, бывают системы с отдельным шкафом или даже шкафами для АКБ. В небольших ТП ШОТа может не быть, в таком случае выключатели и РЗА питаются от переменки 230 Вольт, что менее надежно, но допустимо.

Рассмотрим подробнее процесс гашения дуги. Как мы знаем из школьной физики, постоянный ток течет всегда в одном направлении, а переменный меняет направление движения 50 раз в секунду. Это означает, что 100 раз в секунду ток будет равен нулю (синусоида дважды за период проходит через ноль). Поэтому дугу на переменном токе погасить гораздо проще, чем на постоянном. При прохождении через воздух электрическая дуга ионизирует его, как бы оставляя себе «колею» из заряженных частиц, и после прохождения нуля снова загорается по тому же пути. Если действие происходит в вакууме, то существование такой «колеи» в принципе невозможно, и дуга гаснет после первого прохождения тока через ноль. При использовании в качестве среды для гашения масла или элегаза в процессе горения дуги будут образовываться газы, которые своим давлением будут гасить дугу. Есть и более редкие способы, которые применяются в основном на очень высоких напряжениях – например, выдувать дугу сжатым воздухом, или выталкивать ее мощным электромагнитом.

Но вернемся к нашему выключателю. При проявлении КЗ на защищаемом участке срабатывает защита и терминал РЗА отдает команду на отключение выключателя путем замыкания своего выходного реле, вот такого.

Да, внутри терминала РЗА есть миниатюрные электромагнитные реле, на самом деле мера эта вынужденная, так как современные твердотельные (полупроводниковые) реле пока что по характеристикам уступают электромеханическим. Так вот, это самое реле замыкает цепь ЭМО (электромагнит отключения), и выключатель отключается. Таких реле в терминале много, каждое из которых задействовано на разные функции. Одно реле включает выключатель, другое отключает, третье отключает соседний (помним про УРОВ), четвертое замыкает цепь сигнальной лампы при аварии, пятое подает сигнал диспетчеру о том, что произошла авария, и так далее. Кроме этого, помимо измерения тока и напряжения, у терминала РЗА есть дискретные входы – для приема дискретных («0» или «1») сигналов. С их помощью терминал видит положение своего выключателя, положение кнопок управления, принимает сигнал УРОВ от соседнего выключателя и т.п. Таким образом, РЗА контролирует вообще всё, что связано с конкретным выключателем. При срабатывании защиты и отключении выключателя на дисплее терминала РЗА высвечивается наименование защиты, которая сработала, загорается сигнальная лампа, срабатывает аварийная сигнализация и выпадает блинкер (он же «указательное реле»).

На первом фото блинкер не сработал, индикатор черный, на втором – сработал (выпал), индикатор черно-белый. Блинкер – это обычное электромагнитное реле, в котором предусмотрен поворачивающийся флажок – индикатор срабатывания, если флажок повернулся (выпал), то «поднять» его можно только вручную (рукоятка справа вверху на фото). Задача блинкера – сигнализация срабатывания защиты в условиях отсутствия вообще любого напряжения. Допустим, питающие кабели обесточены, АКБ в ШОТе разрядилась, бригада электриков приехала на подстанцию, ходит с фонариками и пытается понять, что же произошло, и можно ли включать всё как было. Такое бывает нечасто, но у релейщиков на любой случай есть своя защита, надёжность – наше всё. Дисплей терминала РЗА и сигнальные лампы не горят, а по положению блинкеров можно понять, была ли работа защиты, или нет. Если была, то прежде, чем включать выключатель, нужно убедиться в исправности оборудования – визуальный осмотр, измерение сопротивления изоляции, и т.п.

Современные ТП оборудованы каналами связи, по которым РЗА передает информацию о текущем состоянии объекта на диспетчерский пункт. На компьютере диспетчера отображается положение всех выключателей, величины токов и напряжений и сигналы об авариях.

Обычно для передачи данных используются оптоволоконные линии связи, либо GSM-каналы. Можно настроить систему так, чтобы при аварии диспетчеру приходило СМС на телефон с названием ТП и типом неисправности.  

Хотел написать покороче, но получилось, как получилось, надеюсь было понятно и интересно.

Спасибо за внимание! Если есть какие-то вопросы по данной теме – задавайте в комментариях, постараюсь ответить.