Продвинутые системы управления и защиты цепей: Защита электрических сетей

Что такое системы защиты электрических цепей?

При эксплуатации электрических систем или устройств часто необходимо включать и выключать их. Нам требуются устройства, способные коммутировать системы как в нормальных, так и в аварийных ситуациях для защиты всей или части электрической системы. Эта функция требует устройства, которое защищает систему за минимальное время, иначе последствия могут быть катастрофическими: повреждение электроприборов и угроза жизни людей.

В ранние времена для этой функции часто использовались предохранители, но в современных передовых электрических системах у них есть два существенных недостатка. Во-первых, если предохранитель сгорает при опасной ситуации, его нужно заменить на новый, что занимает время. Во-вторых, предохранители не могут успешно прервать крупные короткие замыкания в современных высокомощных системах.

Прогресс в системах защиты электрических цепей

С развитием энергетических систем цепи работают на высоких напряжениях и переносят большие токи. Для защиты электрической системы нам нужны надежные устройства, способные управлять системой как в нормальном, так и в аварийном режиме. Существует множество коммутационных аппаратов, обеспечивающих защиту: масляные, воздушные, вакуумные и SF6-ключи. Рассмотрим один из самых важных — автоматический выключатель.

Коммутационные аппараты, способные включать и выключать электрическую систему или цепь в нормальном или аварийном состоянии (короткое замыкание), называются автоматическими выключателями. Благодаря своей конструкции и различным методам гашения дуги, существует множество типов автоматических выключателей для высокой и низкой мощности. Выключатели с газами серы гексафторированной (SF6) являются наиболее широко используемыми среди всех типов.

Как работают выключатели SF6 и их роль в системах управления и защиты

В таких выключателях для гашения дуги используется серофторид, обладающий электроотрицательными свойствами. Этот газ имеет сильную способность поглощать свободные электроны. Выключатели SF6 оказываются очень эффективными в высокомощных установках. Конструктивно они состоят из двух контактов — неподвижного и подвижного, заключенных в камеру, называемую дугопогасительной. Камера соединена с резервуаром серофторида. Неподвижной контакт представляет собой полый цилиндрический контакт с дуговым рогом, переносящим ток. Подвижной контакт также полый, с небольшими отверстиями, через которые SF6 проходит для гашения дуги. Подробности показаны на рисунке ниже.

Когда контакты выключателя замкнуты (нормальное состояние, включено), они окружены газом SF6 под давлением 2,8 кг/см². При размыкании контактов клапан газа открывается, и газ синхронно с контактами врывается в дугопогасительную камеру под давлением 14 кг/см² в момент возникновения дуги. Газ SF6 быстро поглощает свободные электроны из дуги, образуя неподвижные отрицательные ионы, неэффективные как носители заряда. В результате среда между контактами набирает высокую диэлектрическую прочность, гася дугу, возникшую при коммутации. Клапан газа закрывается после погашения дуги пружинным механизмом.