Учебное пособие: Электрические аппараты

Для РУ напряжением 110 кВ и выше (вплоть до 1150 кВ) наиболее широко используются воздушные выключатели, где гашение дуги осуществляется потоком сжатого воздуха.

В последнее время интенсивно развиваются конструкции вакуумных выключателей, у которых контактная система помещена в вакуумную камеру. Такие выключатели изготовляются на напряжение до 35 кВ включительно. Их отличительная особенность – погасание дуги при первом же переходе тока через нуль (после расхождения контактов).

Развиваются работы и по созданию элегазовых выключателей, в которых в качестве дугогасящей среды используется электроотрицательный газ – шестифтористая сера (элегаз). Такие выключатели создаются для герметичных распределительных устройств (ГРУ), а также для наружной установки, где в качестве изоляции относительно земли используются воздух и фарфоровые или стеклопластиковые изоляторы.

На напряжение 6 и 10 кВ наиболее распространены электромагнитные выключатели, в которых дуга горит в воздухе при атмосферном давлении и в результате воздействия сильного магнитного поля удлиняется настолько, что отдача теплоты стволом дуги (усиленная специальными мерами) превосходит ее поступление и дуга распадается.

 Выключатели нагрузки применяются, как правило, в цепи генераторного напряжения на очень большие номинальные токи (20-30 кА), когда токи короткого замыкания отключаются высоковольтными выключателями за повышающими трансформаторами. В этом случае ток электродинамической стойкости достигает сотен тысяч ампер. Кроме того, выключатели нагрузки применяются на тупиковых подстанциях небольшой мощности, в кольцевых линиях, когда применение выключателей оказывается неэкономичным. Существенно меньшие токи, отключаемые выключателями нагрузки, определяют значительное упрощение их конструкций и снижение массогабаритных показателей по сравнению с выключателями.

Разъединители применяются для коммутации обесточенных с помощью выключателей участков токоведущих систем, для переключения присоединений распределительных устройств с одной ветви на другую без перерыва тока и для коммутации очень малых токов ненагруженных силовых трансформаторов и коротких линий.

Например, при подготовке выключателя к ремонту он должен быть отделен от смежных элементов токоведущих систем, находящихся под напряжением, с помощью разъединителей и (рис. 1.1) после отключения выключателя В. При этом разъединители отключают небольшой ток, определяемый напряжением сети и емкостью токоведущих элементов выключателя и подводящей ошиновки. Разъединители открытой установки создают видимые разрывы токоведущей системы, обеспечивающие безопасность выполнения работ на выключателе.

После отключения разъединителей выключатель В должен заземляться с обеих сторон с помощью переносных заземлителей либо специальных заземляющих ножей  и , встраиваемых в конструкцию разъединителя.

Отделитель служит для отключения обесточенной цепи высокого напряжения за малое время (не более 0,1 с). Он похож на разъединитель, но снабжен быстродействующим приводом.

Короткозамыкатель служит для создания к.з. в цепи высокого напряжения. По конструкции он сходен с заземляющим устройством разъединителя, но снабжен быстродействующим приводом.

Короткозамыкатели и отделители устанавливаются на стороне высшего напряжения распределительных устройств (РУ) малоответственных потребителей, когда с целью экономии площади и стоимости выключатели предусмотрены только на стороне низшего напряжения. При повреждении в РУ и токе к.з., недостаточном для работы защиты на отправном конце питающей линии, короткозамыкатель заземляет линию. При этом увеличивается ток к.з., что обеспечивает надежное срабатывание защиты и отключение линии с отправного конца выключателем. После этого отключаются выключатель поврежденной трансформаторной группы на стороне низшего напряжения и затем отделитель этой же группы на стороне высшего напряжения. Таким образом, поврежденная трансформаторная группа оказывается изолированной от сети, что обеспечивает возможность повторного включения выключателя на отправном конце питающей линии и восстановления питания потребителей поврежденной трансформаторной группы в результате их подключения между шинным выключателем к неповрежденной трансформаторной группе (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Схема соединения выключателя и разъединителей

Короткозамыкатели и отделители обладают большим быстродействием для ограничения длительности аварийного режима в системе.

 Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) применяются для непрерывного контроля за этими параметрами электрической цепи в качестве датчиков сигнала ее состояния, воспринимаемого устройствами защиты и автоматики. Применяются ТТ и ТН при высоких напряжениях и больших токах, когда непосредственное включение в первичные цепи контрольно-измерительных приборов, реле и приборов автоматики технически невозможно или недопустимо по условиям безопасности обслуживающего персонала.

Рис. 1.2. Схема РУ с короткозамыкателями и отделителями

Измерительные трансформаторы устанавливаются в открытых (ОРУ), закрытых (ЗРУ) и герметичных (ГРУ) распределительных устройствах и связываются контрольными кабелями с приборами устройств вторичной коммутации, которые размещаются на панелях щитов и пультов и на стенах в помещениях щитов управления, машинного зала и распределительных устройств. Основное требование к трансформаторам тока – обеспечение передачи информации со стороны высокого потенциала на потенциал земли с минимально возможными искажениями. Наиболее распространенными в настоящее время являются электромагнитные трансформаторы тока и напряжения, содержащие магнитопровод, первичную обмотку, включаемую непосредственно в цепь высокого напряжения последовательно (ТТ) либо параллельно (ТН), и одну или несколько вторичных обмоток. Номинальный ток вторичных обмоток ТТ составляет обычно 5А, иногда 1А, номинальное напряжение вторичных обмоток ТН – обычно 100 В.

Эти трансформаторы имеют очень небольшие погрешности в установившемся режиме – от долей процента до нескольких процентов в зависимости от класса точности. Однако в переходных режимах, связанных, например, с возникновением к.з., погрешности измерения тока и напряжения могут достичь 10 % и более, прежде всего из-за насыщения стали сердечника.

В связи с этим в последнее время вместо электромагнитных ТН применяются емкостные делители напряжения, а вместо электромагнитных ТТ – оптико-электронные (ОЭТТ), в которых сигнал со стороны высокого потенциала передается на землю по оптическому каналу с помощью волокнистых световодов. Такие трансформаторы тока передают сигнал на устройства защиты и управления с малыми искажениями. Однако мощность передаваемого по оптическому каналу сигнала недостаточна для использования в обычных устройствах релейной защиты и автоматики, поэтому использование ОЭТТ необходимо сочетать с применением микроэлектронных устройств и ЭВМ.

Ограничивающие аппараты подразделяются на аппараты ограничения тока и напряжения.

К токоограничивающим аппаратам относятся высоковольтные предохранители и реакторы. Плавкие предохранители высокого напряжения предназначены для защиты силовых трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов, электродвигателей и трансформаторов напряжения.

Токоограничивающие предохранители с мелкозернистым наполнителем применяются на напряжение 3-35 кВ с номинальным током 2-1000 А и током отключения от 2,5 до 63 кА.

Выхлопные предохранители переменного тока, где гашение дуги происходит при переходе тока через нуль, применяются на напряжение 6-220 кВ с номинальным током 2-200 А и током отключения от 1,6 до 20 кА.

Токоограничивающие реакторы представляют собой катушку индуктивности без сердечника, включаемую последовательно в токоведущую цепь. Реактор выбирается из условия ограничения тока к.з. в цепях 6-10 кВ до уровня, при котором обеспечивается динамическая и термическая стойкость коммутационных аппаратов (когда их параметры недостаточны для работы без реакторов), а также термическая стойкость защищаемых кабелей. Менее распространены токоограничивающие реакторы в сетях 110-220 кВ. При малых токах (вплоть до номинального) падение напряжения на реакторе обычно не превышает 3-10 % номинального напряжения. При коротком замыкании на линии, защищаемой реактором, напряжение на соседней линии не должно уменьшаться более чем на 25 % по сравнению с до аварийным режимом.

Наиболее распространенным средством ограничения грозовых и внутренних перенапряжений являются разрядники. Эти аппараты состоят из нелинейных резисторов (варисторов) и искровых промежутков, автоматически подключающих блок варисторов к токоведущей цепи при превышении заданного уровня напряжения.

В настоящее время созданы варисторы с такой высокой степенью нелинейности вольт-амперной характеристики, что они могут быть подключены к токоведущим элементам без искровых промежутков. Протекающий по варисторам ток при номинальном напряжении составляет миллиамперы, а при повышениях напряжения возрастает до тысяч ампер. Отсутствие искровых промежутков существенно упрощает конструкцию ограничителей перенапряжений, но порождает новые проблемы, связанные с необходимостью обеспечения надежной работы аппарата при рабочем напряжении.

Компенсирующие аппараты. В сетях сверхвысокого напряжения широко применяются реакторы, включаемые между токоведущими элементами и землей (шунтирующие реакторы). Они предназначены для компенсации избыточной зарядной мощности в режиме малых нагрузок (когда по линии передается мощность меньше натуральной). При номинальной нагрузке линии реакторы отключены, а по мере уменьшения нагрузки они подключаются с помощью высоковольтных выключателей.

Регулируемые (управляемые) реакторы обеспечивают возможность быстрого и плавного изменения потребляемой ими реактивной мощности без отключения от линии. Такие реакторы в настоящее время находятся в стадии разработки. Наличие обмотки подмагничивания позволяет форсировать параметры реактора – кратковременно увеличивать его мощность значительно выше номинальной, а следовательно, использовать регулируемые реакторы в качестве средств глубокого ограничения внутренних перенапряжений.

Комплектные распределительные устройства составляются из полностью или частично закрытых шкафов или блоков с встроенными в них аппаратами, устройствами защиты и автоматики, поставляемых в собранном или полностью подготовленном для сборки виде. Комплектные распределительные устройства выпускаются для внутренней (КРУ) и для наружной (КРУН) установки. Комплектные РУ 6-20 кВ в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации энергетического строительства, поэтому они становятся самой распространенной формой исполнения РУ.

В последние годы начали применять комплектные РУ нового типа – герметичные (ГРУ), в которых все токоведущие элементы и аппараты (сборные шины, выключатели, разъединители, трансформаторы тока и напряжения) расположены внутри герметичной оболочки, заполненной сжатым высокопрочным газом (элегазом). Такие РУ полностью изготовляются на заводе в виде отдельных ячеек, набор которых может изменяться в зависимости от схемы подстанции.

В настоящее время освоен серийный выпуск ячеек ГРУ на напряжение 110 и 220 кВ и осваивается серийный выпуск ГРУ на напряжение 330, 500, 750 и 1150 кВ.

Герметичные распределительные устройства предполагается использовать прежде всего в крупных городах с целью экономии площади и объема. Так, ГРУ 110 и 220 кВ могут быть размещены в подвальных помещениях жилых зданий. Целесообразно использовать ГРУ на гидростанциях, где, как правило, недостаточно места для размещения ОРУ, а также в районах со сложными климатическими, метеорологическими и сейсмическими условиями и в районах с сильным загрязнением атмосферы.

Прогрессивное направление аппаратостроения – создание комплексов аппаратов – получило развитие и при создании аппаратов на генераторное напряжение. В комплекс объединяются все три аппарата, включаемые в рассечку токопровода – от генератора до трансформатора: выключатель, разъединитель и трансформатор тока. Такое объединение приводит к существенному уменьшению объема, занимаемого аппаратами, повышает их технико-экономические характеристики, в том числе надежность.

Классификация АВН

Коммутационные аппараты. В эту группу входят высоковольтные выключатели, предохранители, выключатели сгрузки, разъединители, отделители и короткозамыкатели.

Высоковольтный выключатель – важнейший из АВН. Он служит для включения и отключения токов любых режимов: номинальных, токов КЗ, токов холостого хода (XX) силовых трансформаторов, токов холостых линий и кабелей. Характерной особенностью этого аппарата является наличие дугогасительного устройства (ДУ), которое обеспечивает гашение дуги, возникающей в цепи высокого напряжения при ее размыкании.

Разъединитель служит для включения и отключения цепей высокого напряжения при отсутствии тока. Эти аппараты необходимы для изменения электрических схем энергоустановки и создания безопасных условий при ремонте и ревизии АВН и силового оборудования (трансформаторов, генераторов и др.). Отличительной особенностью разъединителя является видимый разрыв между контактами в положении «отключено». Разъединитель не имеет ДУ. После снятия напряжения с оборудования необходимо заземлить токоведущие части. Для этого разъединители часто снабжаются заземляющими устройствами.

Высоковольтный предохранитель – аппарат, производящий отключение защищаемой цепи при к.з. и недопустимой перегрузке путем плавления металлического проводника малого сечения и последующего гашения дуги высокого напряжения в ДУ.

 Выключатель нагрузки. Этот аппарат служит только для включения и отключения номинальных токов установки. Отключение токов к.з. и перегрузок производит высоковольтный предохранитель, включенный с выключателем нагрузки последовательно. В отличие от разъединителя выключатель нагрузки имеет ДУ, рассчитанное на коммутацию номинальных токов и токов х.х. трансформаторов и линий электропередачи.

Отделители и короткозамыкатели. В связи с возрастанием мощности приемников напряжение 35-220 кВ подается непосредственно на территории заводов, фабрик, городов. Выключатели на это напряжение имеют значительные габаритные размеры и высокую стоимость. В связи с этим разработаны упрощенные схемы энергоснабжения, в которых выключатели на повышенное напряжение заменяются простыми и дешевыми аппаратами – отделителями и короткозамыкателями, не требующими большого помещения.

Отделитель – это коммутационный аппарат, который служит для отключения обесточенной цепи высокого напряжения за малое время. По своей конструкции отделитель похож на разъединитель, но имеет быстродействующий привод, который отключает его за относительно малое время (не более 0,1 с).

Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат, который служит для создания к.з. в цепи высокого напряжения. По своей конструкции он напоминает заземляющее устройство разъединителя. Включение и отключение короткозамыкатели производят также с помощью быстродействующего привода. Время включения с момента подачи управляющего сигнала до момента замыкания контактов не превышает 0,1 с. Согласованная работа отделителя и замыкателя производится от специальной схемы автоматики.

Ограничивающие аппараты:

1) токоограничивающий реактор – катушка индуктивности, которая служит для ограничения тока КЗ и поддержания необходимого напряжения на сборных шинах распредустройства. Реакторы позволяют применить высоковольтные выключатели и другие АВН облегченного типа, а также повысить надежность работы электроустановки. Наряду с токоограничивающими реакторами в установках высокого напряжения нашли применение реакторы иного назначения: шунтирующие, нагрузочные, дугогасящие и др.;

2) разрядники – аппараты, ограничивающие напряжение в электроустановке при коммутационных и атмосферных перенапряжениях. Они позволяют снизить требования к прочности электрической изоляции аппаратов и оборудования, уменьшить габаритные размеры электроустановки и значительно удешевить ее.

Измерительные аппараты. В эту группу входят высоковольтные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Они изолируют силовые цепи высокого напряжения от токовых цепей и цепей напряжения измерительных приборов и релейной защиты. Кроме того, они позволяют различные номинальные токи и номинальные напряжения силовых цепей высокого напряжения привести к стандартным значениям тока (1 и 5 А) и напряжения (100 В).

Комплектные распределительные устройства (КРУ) представляют собой совокупность АВН (выключатель, разъединители, ТТ, ТН, реактор и др.), которая позволяет осуществлять управление потоком энергии и защиту от аварийных режимов. КРУ изготовляются на аппаратном заводе и поставляются на подстанцию в готовом виде. Определенный набор ячеек КРУ позволяет на месте монтажа создать распределительное устройство высокого напряжения по одной из типовых схем. КРУ позволяет резко сократить время монтажа распределительного устройства, повысить надежность работы электроустановки, уменьшить затрату активных материалов и трудоемкость.

Содержание

1. Введение. Предмет и задачи. Литература и ГОСТы, определения и классификация. Состояния и перспективы развития.

Области применения, классификация электромагнитов, расчет магнитных полей.

2. Расчет и экспериментальное определение магнитных проводимостей воздушных промежутков.

3. Расчет магнитной цепи электромагнитов постоянного тока, обмоточных данных.

Магнитные цепи электромагнитов переменного тока. Расчет обмоток.

4. Энергетический баланс электромагнита постоянного тока. Расчет силы тяги, формула Максвелла.

Сила тяги электромагнитов переменного тока. Магнитный демпфер.

5. Тяговые и механические характеристики электромагнитов постоянного и переменного тока.

Динамика электромагнитов, время трогания и движения. Ускорение и замедление срабатывания.

6. Электродинамические усилия (ЭДУ), методы расчета. Электродинамическая устойчивость.

Нагрев электроаппаратов. Нормы нагрева, термическая устойчивость.

7. Электроконтакты, понятия и теория. Конструкция и выбор коммутирующих контактов.

8. Электрическая дуга, физические явления, основы горения и гашения дуги постоянного тока.

9. Горения и гашения дуги переменного тока: в условиях активной деионизации, высокого напряжения, низкого напряжения.

10. Магнитные усилители (МУ), дроссельный МУ, характеристики и режимы работы.

МУ с самоподмагничиванием (МУС). Двухполупериодные схемы МУС.

11. Предохранители, параметры, требования, характеристики. Выбор предохранителей.

12. Контакторы постоянного и переменного тока, параметры, требования. Магнитные пускатели.

13. Автоматические воздушные выключатели (автоматы), виды, параметры

Электромагнитные реле (тока и напряжения, для энергосистем и электроприводов).

14. Тепловое реле. Устройство, характеристики. Реле времени.

15. Полупроводниковые реле. Устройство, параметры.

16. Бесконтактные контакторы и пускатели на базе тиристорных элементов.

17. Электромагнитные муфты. Функциональные, индукционные. Принцип действия, конструкция.

18. Комплектные распредустройства. Виды, состав, конструкция.

Ограничительные аппараты. Реакторы разрядники. Ограничители напряжения.