Отделители и короткозамыкатели

В настоящее время широко применяются высоковольтные подстанции без выключателей на питающей линии. Это проще, надежнее и дешевле. Для замены выключателей на стороне высокого напряжения используются короткозамыкатели и отделители.

Короткозамыкатель – быстродействующий контактный аппарат, с помощью которого по сигналу релейной защит создается искусственное к.з. сети.

Отделитель представляет собой разъединитель, который быстро отключает обесточенную цепь после подачи команды на его привод. Если в обычном разъединителе скорость отключения мала, то в отделителе процесс отключения длится 0,5-1 сек.

Схема коммутации с отделителями и короткозамыкателями: QK – короткозамыкатели быстродействующие; Q1, Q2 – отделители, которые при номинальном режиме работы замкнуты

Допустим, вследствие ухуд-шения изоляции трансформатора TV1 внутри его возникает электрический разряд, который приводит к разложению масла и выделенного газа. Газовые пузырьки поднимаясь вверх, приводят к срабатыванию газового реле. По сигналу этого реле включается короткозамыкатель и в цепи возникает искусственное к.з. Под действием тока к.з. сраба-тывает выключатель защиты QF1 и обе группы трансформаторов TV1 и TV2 обесточиваются. С помощью релейной защиты трансформатора TV1 отключается также QF2, после чего с выдержкой времени отключается отделитель Q1. Затем, так как режим искусственного к.з. оказался отключенным, снова включается выключатель QF1. Если до аварии QF4 был отключен, то после вклю-

чения QF1 он может быть включен.

При этом будет восстановлено питание потребителей на шинах 10 кВ первой трансформаторной группы.

Таким образом, в этой схеме удается не ставить выключатели на 220 кВ трансформаторов TV1 и TV2. Однако для надежной работы необходима четкая последовательность в работе короткозамыкателей, выключателей и отделителей.

Эффективность такой схемы тем выше, чем больше номинальное напряжение сети. Применение отделителей и короткозамыкателей позволяет удешевить стоимость подстанций на 30-40 % и практически сохранить ту же надежность.

Номинальное напряжение разъединителя должно соответствовать номинальному напряжению высоковольтной сети.

Длительный ток нагрузки потребителя не должен превышать номинальное значение длительного тока разъединителя

.

где I_Т – ток термической точности; I_К – ток короткого замыкания.

Условные обозначения

отделитель	коротко-замыкатели	выключатель высокого напряжения	разъединитель	контакт выключатель = разъединитель

Реакторы

Это электрический аппарат в виде катушки с неизменной индуктивностью L для ограничения токов к.з. и поддержания напряжения на шинах при аварийном режиме.

Два варианта: без реактора и с реактором введем понятие относительного индуктивного сопротивления генератора . в этом случае напряжение равно нулю и на всех линиях пропадает напряжение.

Формула удобна для определения тока к.з, когда его значение определяется сопротивлением одного элемента схемы.

В данном случае автомат QF1 должен быть выбран по току к.з. I_К1.

Ток к.з. в линии с реактором определяется суммарным сопротивлением генератора и реактора

или .

Обычно один генератор обслуживает несколько десятков потребителей. Поэтому номинальный ток линии во много раз меньше номинального тока генератора. Длительный ток реактора выбирается равным току линии, таким образом .

Положим , тогда следуя, что

.

Таким образом, при сделанных допущениях ток к.з. определяется только параметрами реактора.

Выбор аппаратуры линии производится по току , что значительно облегчает и удешевляет распределительное устройство.

Потеря напряжения на реакторе

, при номинальном токе

.

При чисто индуктивной нагрузке  = 90⁰ потеря напряжения равна потери напряжения на реакторе.

При активно-индуктивной нагрузки с cos = 0,8, потери напряжения равна 0,6Х_р. Обычно Х_р% < 10 %. Таким образом, в длительном режиме потеря напряжения на реакторе не велика. В сдвоенных ректорах она еще меньше.

Мощность, выделяемая обмоткой реактор в виде тепла, составляет несколько кВт в реакторах на малые токи и несколько десятков кВт в реакторах на большие токи (I_р.н. = 2000 А). При прохождении тока к.з. температура реактора растет. Поэтому в качестве основных параметров реактора является длительный номинальный ток I_р.н. и ток термической стойкости I_т, отнесенный к определенному времени t.

Иногда термическая стойкость задается произведением .

Если Х_р% > 3 %, то наибольший ток, проходящий через реактор

.

Этот ток берется за основу при расчете термической и электродинамической стойкости реактора.

Если Х_р% < 3 %, то при расчете тока к.з. желательно учитывать сопротивление источника питания.

Механическая прочность реактора характеризуется ударным током электродинамической стойкости. При расчете электродинамической стойкости за основу берется ударный ток

.

Основным параметром реактора является его индуктивность L.

Индуктивность реактора

, , , U_н – кВт, I_н – А.

Для бетонных реакторов, имеющих обмотку из n витков в виде катушки высотой h (м), толщиной b (м) и средним диаметром D (м) индуктивность (мГн) может быть определена

,

где Р = 3/4 при ; и Р = 1/2 при ¹.

Применение ферромагнитных магнитопроводов позволяет резко снизить размеры реактора. Однако при больших токах происходит насыщение магнитопроводов и уменьшение индуктивности, что уменьшает токоограничивающий эффект реактора. В связи с этим применение магнитопроводов в токоограничивающих реакторах не получило распространение.

Реактор потребляет из сети реактивную мощность равную для трех фазного комплекта

квар.

Основные параметры реактора:

- номинальное напряжение – U_н;

- номинальный ток – I_н;

- реактивное сопротивление – Х_р%;

- ток термической стойкости I_т для времени t;

- ток динамической стойкости – i_уд.

Наиболее распространены бетонные реакторы.

В качестве обмоточного провода используется многожильный медный или алюминиевый кабель большого сечения.

Охлаждение реактора естественное. Бетонные реакторы применяются в закрытых распределительных устройствах при напряжении не выше 35 кВ. Недостатком их являются большие габаритные размеры и масса. При напряжениях более 35 кВ для установок на открытой части подстанций применяются реакторы в масляном исполнении. Применение масла позволяет уменьшить изоляционные расстояния между обмотками и заземленными частями реактора и улучшить условия охлаждения за счет конвекции масла. В результате масса и габаритные размеры аппарата уменьшаются.

Переменный магнитный поток реактора Ф₀ замыкается по стенкам бака, что приводит к его нагреву до недопустимых температур из-за появления вихревых токов. Чтобы избежать этого внутри бака устанавливается короткозамкнутый виток в виде экрана. Такой виток увеличивает магнитное сопротивление цепи, и, следовательно, уменьшает магнитный поток, замыкающийся через бак и вызванный этим потоком потери на вихревые токи.

В настоящее время разработаны тороидальные реакторы. Как и в магнитных усилителях обмотка такого реактора имеет тороидальную форму, но не содержит магнитопровод. При такой форме обмотки внешнее поле практически отсутствует и нагрев бака не возникает.

Тороидальные реакторы на напряжение 110 кВ и выше имеют более высокие технические и экономические показатели по сравнению с масляными.

Стремление к уменьшению потерь напряжения на реакторе в номинальном режиме, к упрощению и удешевлению распределительных устройств привело к созданию сдвоенных реакторов.

При обычных реакторах каждая отходящая линия имеет свой реактор, рассчитанный на номинальный ток линии. Каждая трехфазная группа реакторов размещается в специальные ячейки распределительного устройства.

В сдвоенных реакторах реакторы соседних ветвей сближены так, что между ними существует сильная магнитная связь. В номинальном режиме магнитного поля реакторов направлены встречно и оказывают размагничивающее действие друг на друга. В результате индуктивное сопротивление ветви падает. Соответственно уменьшается падение напряжения на реакторе U_в при номинальном токе

,

где Х_р.в – индуктивное сопротивление ветви реактора; Х_м = М – сопротивление взаимной индукции ветвей реактора; М – коэффициент взаимной индукции; - коэффициент связи ветвей реактора; L_р.в. – индуктивность одной ветви.

Чем больше коэффициент связи К, тем меньше падение напряжения в ветви. С точки зрения уменьшения падения напряжения в номинальном режиме желательно увеличение коэффициента связи К, для этого реакторы должны быть возможно ближе друг к другу.

При к.з. в одной из ветвей падение напряжения на реакторе в основном определяется ее сопротивлением Х_р.в. Влияние соседней ветви, обтекаемой номинальным током мало, так как размагничивающее действие этой ветви незначительно.

Если первая ветвь реактора разомкнута, а во второй проходит ток к.з, то реактор первой ветви наводит дополнительную ЭДС, равную .

В результате напряжения на первой ветви реактора возрастает и может достигнуть удвоенного значения.

При одновременном к.з. в обоих отходящих от реактора ветвей между ними возникают большие электродинамические силы. Это происходит во-первых из-за того, что реакторы расположены близко друг к другу, и во-вторых – возрастает ток к.з, так как падает реактивное сопротивление ветвей.

Для ограничения перенапряжений и электродинамических сил коэффициент связи К берется в пределах 0,3 до 0,5.

одинарный реактор	сдвоенный реактор

Бетонные реакторы сдвоенные подвержены разрушению при одновременном к.з. в обеих ветвях.

Увеличение электродинамической стойкости достигается в сборной конструкции.

Основные параметры сдвоенного реактора:

- номинальный длительный ток каждой ветви;

- индуктивное сопротивление (в процентах) одной ветви (при отсутствии тока в другой)

;

- коэффициент связи

;

- электродинамическая стойкость каждой ветви, определяется усилиями, возникающими между витками каждой ветви и между ветвями соседних фаз (при двух- и трехфазных к.з).

При одновременном к.з. в обоих ветвях одного реактора возникают усилия, разрывающие реактор, так как токи в ветвях направлены встречно. Обычно динамическая стойкость при таких повреждениях в 2-3 раза меньше, чем при к.з в одной ветви.

- термическая стойкость одной ветви.