Контрольні запитання.

1. Для яких операцій призначені роз’єднувачі, віддільники та короткозамикачі?

2. Пояснити конструкцію та принцип дії роз’єднувачів, віддільників та короткозамикачів.

3. У яких електроустановках застосовують роз’єднувачі, віддільники та короткозамикачі?

4. Пояснити роботу приводів роз’єднувачів, віддільників та короткозамикачів.

5. Чому в електричних мережах напругою 35 кВ застосовуються двополюсні короткозамикачі, а в мережах 110 кВ однополюсні?

6. Пояснити схему автоматичного керування віддільником та короткозамикачем.

7. Як забезпечується відключення віддільника в безструмову паузу (за схемою)?

8. Яке призначення струмового реле КВТ?

9. Пояснити призначення батареї конденсаторів СВ2 та резистора R.

10. Маркування роз’єднувачів, віддільників, короткозамикачів та приводів до них.

Лабораторна робота №3

Перенапруги в електроустановках та пристрої захисту від них

План роботи:

1.Ознайомлення із засобами захисту від атмосферних перенапруг відкритих електроустановок.

2. Вивчення конструкції трубчастих розрядників.

3. Вивчення конструкції вентильних розрядників.

4. Принцип дії та характеристики обмежувачів перенапруг.

Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи.

Класифікація перенапруг. Однією з основних причин виникнення аварійних режимів в електричних установках є ненормальні короткочасні збільшення напруги, які називаються перенапругами. Перенапруги бувають внутрішнього та зовнішнього походження.

Перенапруги внутрішнього походження (комутаційні) виникають внаслідок перехідних процесів при нормальних вмиканнях і вимиканнях, аварійних замиканнях фази, коротких замиканнях, обривах проводів.

Перенапруги зовнішнього походження (атмосферні) являють собою результат впливу на електричні установки атмосферної електрики. Такі перенапруги виникають внаслідок прямих грозових розрядів чи напруг, індукованих в елементах установки при грозових розрядах поблизу неї. Крім того, вони можуть бути наслідком дії магнітного поля грозового розряду.

Атмосферні перенапруги частіше за все спостерігаються в проводах повітряних ліній. Найбільш небезпечні прямі удари блискавки в електроустановки.

Перенапруги, що виникають на одному з елементів електроустановки, не локалізується на ньому, а розповсюджується по іншим елементам, електрично пов’язаних з місцем виникнення пошкодження. При цьому порушення електричної міцності ізоляції та аварія можливі не там, де виникла перенапруга, а в будь-якому іншому елементі установки, ізоляція якого має менший запас електричної міцності. Часто послабленою може виявитись ізоляція елемента, більш важливого з точки зору забезпечення надійності електропостачання і більш цінного, наприклад трансформатора чи генератора. Пошкодження ізоляції апаратів – незворотній процес (подальше їх використання неможливе).

Більшість перенапруг внутрішнього походження являють собою високочастотні швидкозатухаючі коливання (рис. 3.1, а, б), частота яких в десятки і сотні разів більша, ніж частота нормального режиму.

Рис. 3.1. Перенапруги:

а – внутрішні; б – зовнішні (атмосферні).

Атмосферні перенапруги зазвичай мають форму аперіодичного імпульсу (хвилі), при якому потенціал на даному елементі установки спочатку швидко зростає від нормального значення до деякого максимуму U_max – амплітуди перенапруги, а потім порівняно повільно зменшується до нормального значення. Час t₁, з якого потенціал збільшується до амплітуди U_max, називається фронтом хвилі (імпульсу), а час t₂ з початку процесу до моменту, коли потенціал на спадаючій частині імпульсу досягає рівня 50% амплітуди – її довжиною.

Грозозахист електричних установок. Захист електричних установок включає захист їх елементів від ураження прямими ударами блискавки і захист ізоляції від перекриття та пробоїв внаслідок високих перенапруг. Крім цього, необхідний захист трансформаторів і машин від хвиль, набігаючих з ПЛ, а також від переходів імпульсних перекриттів ізоляції елементів установки в стійку електричну дугу.

Особливо важливо захищати людей і тварин від уражень перенапругами в мережах споживачів під дією атмосферних перенапруг, і від пожеж в результаті пошкодження перенапругами ізоляції мережі чи від іскор розрядів.

Захист від прямих ударів блискавки здійснюється за допомогою блискавковідводів, тобто добре заземлених провідників, розташованих вище, ніж елементи електричної установки, що захищаються. При достатній кількості і належному розташуванні блискавковідводів над розміщеними будівлями всі розряди блискавки будуть влучати в ці блискавкозахисні пристрої.

Для захисту об’єктів невеликої довжини, наприклад, відкритих підстанцій, будівель, використовують стержньові блискавковідводи, що розміщуються на конструкціях будівлі чи окремо від них, а для захисту об’єктів більшої довжини: лінії електропередач, підстанції, що займають великі території – блискавковідводи у вигляді заземлених тросів, закріплених на опорах і натягнутих над об’єктами захисту на відповідній висоті.

При ударі блискавки в блискавковідводи напруга в місці розряду може викликати пошкодження будь-якої ізоляції, тому крім установки блискавковідводів необхідно виконувати їх заземлення через малий опір.

Такі заземлення роблять на стержневих блискавковідводах. Їх можна встановлювати і на тросових блискавковідводах великої довжини, але не на кожній опорі. Тому для захисту від вторинних перекриттів необхідно посилювати ізоляцію чи встановлювати спеціальну грозозахисну апаратуру.

Грозозахисна апаратура. Спеціальну грозозахисну апаратуру застосовують для захисту апаратів трансформаторів і машин від атмосферних перенапруг.

Грозозахисні апарати повинні спрацювати і відвести хвилю атмосферної перенапруги в землю раніше, ніж на ізоляції, що захищається, перенапруга досягне небезпечного значення, а потім погасити електричну дугу швидше, ніж спрацює релейний захист чи запобіжники.

Найпростішим грозозахисним апаратом є іскровий проміжок, який встановлюється перед апаратом, що захищається. Один з електродів проміжку приєднують до фазного проводу, а інший заземлюють. Захисні проміжки виконують у вигляді ріг з електродами із круглої сталі діаметром не менше 10мм.

Самогасіння електричної дуги в проміжку відбувається тільки тоді, коли струм невеликий. Якщо захисний проміжок не забезпечує надійної роботи грозозахисту і не гасить електричної дуги, то застосовують розрядники.

Основним елементом розрядника є іскровий проміжок. Вольт-секундна характеристика цього проміжку (рис. 3.2, крива 2,) повинна лежати нижче, ніж характеристика обладнання, що захищається (рис. 3.2, крива 1).

Одним із радикальних заходів, які дозволяють знизити перенапругу, є застосування розрядників, які приєднується між вводами обладнання і землею.

Рис. 3.2. Узгодження характеристик розрядника та обладнання, що захищається.

При появі перенапруги проміжок повинен пробитися раніше, ніж ізоляція обладнання що захищається. Після пробою лінія заземлюється через опір розрядника або накоротко. При цьому напруга на лінії визначається струмом I, що проходить через розрядник, опорами розрядника і заземлення R_з. Чим менший цей опір, тим краще обмежується перенапруга, оскільки при цьому більша різниця між можливою (рис. 3.2, крива 4) та обмеженою розрядником перенапругою (рис. 3.2, крива 3).

Напруга на розряднику при протіканні імпульсного струму даної величини і форми називається залишковою напругою. Чим менша ця напруга, тим краща якість розрядки.

Після того, як імпульсний струм проходить через розрядник, іскровий проміжок стає іонізованим і він легко пробивається номінальною фазною напругою. Виникає коротке замикання на землю і через розрядник протікає струм промислової частоти, який називається супроводжуючим. В зв’язку із зміною режиму роботи установки супроводжуючий струм може змінюватись в широких межах.

Щоб запобігти вимкненню обладнання релейним захистом, цей струм повинен бути вимкнутий розрядником за максимально короткий час (напівперіод промислової частоти).

Розрядники повинні відповідати наступним основним вимогам.

1. Вольт-секундна характеристика розрядника повинна розміщуватись нижче, ніж характеристика об’єкту, що захищається. Характеристика розрядника повинна бути за можливістю рівномірною (пологою).

2. Іскровий проміжок розрядника повинен мати визначену гарантовану електричну міцність при промисловій частоті (50 Гц) і при імпульсах. Вентильний розрядник, призначений для захисту від атмосферних перенапруг, не повинен спрацьовувати при внутрішніх перенапругах.

3. Залишкова напруга на розряднику, що характеризує його обмежуючу здатність, не повинна перевищувати величин, які небезпечні для ізоляції обладнання.

4. Супроводжуючий струм частотою 50 Гц повинен вимикатися за малий час в можливо широкому діапазоні струмів.

5. Розрядник повинен мати велику кількість спрацювань без проведення нагляду і ремонту.

Трубчаті розрядники (рис. 3.3) являють собою трубку 2 з ізолюючого матеріалу, який генерує велику кількість газу під тепловою дією дуги.

Всередині трубки розташовані два електроди 3 і 4, що утворюють іскровий проміжок l_вн. На одному кінці трубки є глухий стальний 1 чи силуміновий ковпачок з резервуаром для накопичення газу, а на іншому - металевий ковпачок з вихлопним отвором. Один кінець розрядника з’єднаний із заземленням, а інший через зовнішній іскровий проміжок – з фазним проводом. Іскрові проміжки зрізають хвилю перенапруги, і дуга гаситься газом, що потім виривається через вихлопний отвір трубки. На ковпачку відкритого кінця трубчатих розрядників може бути закріплений вказівник спрацювання, виконаний із стрічки, а іноді із марлі, якою обв’язують вихлопний отвір.

На опорах лінії електропередачі і конструкціях підстанції трубчаті розрядники для запобігання накопичення вологи встановлюють вертикально чи під кутом не менш як 15 – 20 відкритим кінцем вниз. Щоб розрядники постійно не знаходились під дією напруги лінії, використовують зовнішні іскрові проміжки із круглої сталі діаметром не менше 5 мм.

Трубку розрядників виконують із фібри (РТ, РТП, і РТФ) чи вініпласта (РТВ). Позначення розрядників являє собою дріб, де в чисельнику вказується робоча напруга у кВ, а у знаменнику (дві цифри) – діапазон відключення струмів короткого замикання.

Рис. 3.3. Трубчастий розрядник:

1 – стальний ковпачок; 2 – трубка з газогенеруючого діелектрика; 3, 4 – електроди;

5 – металевий ковпачок з вихлопним отвором.

Так, наприклад, розрядник розшифровується як розрядник трубчатий фібровий напругою 35 кВ, струми відключення в межах 800–5000 А.

Захисна дія розрядника пояснена рис. 3.2. В момент пересікання кривої 4 з вольт-секундною характеристикою розрядника кривою 2 відбувається пробій проміжку і через нього протікає імпульсний струм I, який на опорі заземлення R_з створює падіння напруги IR_з.

Більш удосконаленими є розрядники РТВ (розрядник трубчатий вініпластовий). Вініпласт має високу механічну міцність, добре працює на відкритому повітрі, має високу газогенеруючу здатність.

Найбільший струм відключення цього розрядника доведений до 20 кА.

Робота трубчатого розрядника супроводжується сильним звуковим ефектом і викидом газів. Так, розрядник РТВ–110 має зону викиду у вигляді конуса з діаметром 3,5 м і висотою 2,2 м. При установці розрядників необхідно передбачити, щоб в цю зону не потрапляли елементи установки, які знаходяться під високим потенціалом.

Захисна характеристика розрядника в значній мірі залежить від вольт-секундної характеристики проміжку між електродами. В трубчатому розряднику проміжок утворений стержневими електродами має круту вольт-секундну характеристику з-за великої неоднорідності електричного поля. Електричне поле в апаратах і обладнанні намагаються зробити рівномірним, так як в цьому випадку повніше вдається використовувати ізоляційний матеріал і зменшити габарити та масу обладнання. При рівномірному полі вольт-секундна характеристика полога, практично мало залежить від часу. В зв’язку з цим трубчаті розрядники, які мають круту вольт-секундну характеристику, непридатні для захисту обладнання підстанцій. За допомогою їх проводиться захист лише лінійної ізоляції. При виборі трубчатого розрядника необхідно розрахувати можливий максимальний і мінімальний струм короткого замикання і по цим струмам вибрати потрібний розрядник. Номінальна напруга розрядника повинна відповідати номінальній напрузі мережі. Розміри внутрішнього і зовнішнього проміжків (рис. 3.3) вибираються за спеціальними таблицями.

Якщо в місці встановлення трубчатих розрядників струм короткого замикання менше вказаної нижньої межі, газовиділення буде недостатнім і електрична дуга не погасне, а спалить розрядник. Якщо цей струм більше верхньої межі, газовиділення буде дуже інтенсивним, трубку розірве і дуга буде продовжувати горіти. Трубчаті розрядники встановлюють так, щоб виключити можливість перекриття фаз через викид гарячих газів з вихлопних отворів.

Розрядники серії РТ випускаються на напругу 3–110 кВ і струми вимикання 0,3–5 і 2–10 кА.

Вентильні розрядники є більш досконалими грозозахистними апаратами і складаються з декількох включених послідовно іскрових проміжків та спеціальних керамічних дисків, опір яких залежить від протікаючого струму. Ці опори виготовляють із карборунду певної марки віліту, зв’язаного в спеціальні керамічні диски з рідкого скла. Корпуси розрядників виконуються з фарфору. При використанні в розрядниках віліту зберігаються низька залишкова напруга при більших струмах і перенапругах та мале значення струму.

Розрядники розміщують як найближче до устаткування. Для більш високих напруг в них використовують магнітне дуття. Кількість керамічних дисків і послідовно ввімкнутих іскрових проміжків зростає із збільшенням робочої напруги мережі.

Для напруг 10–35 кВ випускають розрядники РВО (рис. 3.4), а для вищих напруг – РВМ, РВМГ, РВМКП.

Вентильні розрядники РВО встановлюють так, щоб їх нижній цоколь знаходився на висоті не менше 2,5 м від землі чи вертикально в спеціальних огороджених комірках з дотриманням відстані між фазами і до заземлених частин підстанції згідно вимог ПУЕ.

Обмежувачі перенапруг. Обмежувачі перенапруг застосовуються для захисту мереж змінного струму, трансформаторів, розподільних пристроїв від атмосферних та комутаційних перенапруг.

Обмежувачі перенапруг типу MWK з металооксидним опором конструкції АВВ без іскрових проміжків для внутрішнього та зовнішнього встановлення поступово впроваджуються в електроустановках енергетичних підприємств України.

а) б)

Рис. 3.4. Вентильні розрядники:

а – РВО–35; б – РВО–10; 1 – верхня кришка; 2, 6 – верхній та нижній фланці;

3 – фарфоровий корпус; 4 – блок робочих опорів; 5 – комплект іскрових проміжків; контактний болт для приєднання струмопроводу; 8 – хомут кріплення.

Перевага цих пристроїв обумовлюється великою захисною зоною, стабільністю характеристик, стійкістю до умов зовнішнього середовища та старіння (5000-й годинний цикл), не потребують обслуговування. Обмежувачі перенапруг серії POLIM–D типу MWK виготовляються на напругу до 35 кВ з робочими струмами до 10 кА (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Обмежувач перенапруг серії POLIM–D типу MWK змонтований на ізоляційній скобі виводу трансформатора середньої напруги.