19.3. Блокировка разъединителей и выключателей

Отключение разъединителя при прохождении через него номиналь­ного тока ведет к тяжелой аварии, иногда с поражением людей. Образу­ющаяся дуга очень подвижна, быстро удлиняется, что ведет к перемы­канию полюсов и возникновению КЗ. Во избежание таких последствий разъединители блокируются с выключателями с помощью механичес­ких, механических замковых и электромагнитных замковых блокировок.

В первом случае рычаг привода разъединителя оказывается сво­бодным только при отключенном положении механизма выключателя. При такой блокировке очень трудно связать механизм выключателя со многими приводами разъединителей. В каждом отдельном случае при­ходится конструировать свой блокирующий механизм применительно к конструкции распредустройства. В силу это­го подобная блокировка применяется редко.

При механической замковой блокировке на выключателе и связанном с ним разъедини­теле установлены специальные замки, которые могут быть открыты только специальным клю­чом. Ключ находится в замке, установленном на выключателе. Его можно вынуть из замка только при отключенном состоянии выключате­ля, т. е. при отсутствии тока через разъедини­тель. После этого ключ вставляют в замок на приводе разъединителя и освобождают его ме­ханизм. Разъединитель может включаться в выключаться только в том случае, когда ключ находится в его замке. Операции с дру­гими разъединителями при этом невозможны. Таким образом, здесь отсутствует механиче­ская связь приводов выключателя и разъеди­нителей.

Более совершенна электромагнитная замковая блокировка (рис. 19.8). Для операции с разъединителем ключ в виде электромагнита (рис. 19.8, а) должен быть вставлен в за- мок (рис. 19.8,6). Концы катушки 2 электромагнита выведены на штыревые контакты 3. Если выключатель, связанный с данным разъдинителем, отключен, то через его размыкающие блок-контакты и гнезда 4 подается напряжение на катушку 2. При нажатии на кольцо 1 якорь 5 опускается и под действием электромагнитной силы сцепляется с запирающим плунжером 6. Теперь при движении якоря 5 вверх он будет перемещать связанный с ним плунжер 6. В результате деталь 8 привода разъеди­нителя будет освобождена, а штифты 7 войдут в паз А ключа, не до­пуская его снятия с замка. Для блокировки всех разъединителей до­статочно одного ключа на все распределительное устройство.

Рис. 19.8. Электромагнитная блокировка с ключом

19.4. Отделители и короткозамыкатели

а) Назначение и принцип действия. В настоящее время начинают широко применяться высоковольтные подстанции без выключателей на питающей линии. Это позволяет уде­шевить и упростить оборудование при сохранении высокой надежности. Для замены выключателей на стороне высоко­го напряжения используются короткозамыкатели и отдели­тели.

Короткозамыкатель — это быстродействующий контакт­ный аппарат, с помощью которого по сигналу релейной за­щиты создается искусственное КЗ 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 с.

В качестве примера применения короткозамыкателей и отделителей на рис. 19.9 приведена схема питания от од­ной линии двух трансформатор­ных групп 77 и Т2. В схему кро­ме быстродействующих коротко­замыкателей QK1 и QK2, введе­ны отделители Q1 и Q2, которые при нормальном режиме работы замкнуты. Допустим, вследствие ухудшения изоляции трансформа­тора 77 внутри него возникают электрические разряды, которые приводят к разложению масла и выделению газа. Газовые пу­зырьки, поднимаясь вверх, приво­дят к срабатыванию газового ре­ле. По сигналу этого реле вклю­чается короткозамыкатель и в це­пи возникает искусственное КЗ. Под действием тока КЗ срабаты­вает выключатель защиты QF1

Рис. 19.9. Схема коммутации с отделителями и короткозамыкателями

и обе группы 77 и Т2 обесточиваются. С помощью релейной защиты трансформатора 77 отключается также выключа­тель QF2, после чего с некоторой выдержкой отключается отделитель Q1. Затем, так как режим искусственного КЗ оказался отключенным, снова включается выключатель QF1. Если до аварии выключатель QF4 был отключен, тс после включения выключателя QFJ 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 стороне 220 кВ трансформаторов Т1 и Т2. Одна­ко для надежной работы необходима четкая последователь­ность в работе короткозамыкателей, выключателей и отде­лителей. Иначе возможны такие тяжелые аварийные случаи, как отключение тока КЗ отделителями и др.

Эффективность такой схемы тем выше, чем больше но­минальное напряжение сети. Указанный эффект достигает­ся за счет отсутствия выключателей на стороне 35—220 кВ, а также аккумуляторных батарей и компрессорных устано­вок. Уменьшается площадь подстанции. Создается возмож­ность приближения напряжения 35—220 кВ непосредствен­но к потребителям. Сокращаются сроки строительства.

Применение отделителей и короткоза­мыкателей позволяет удешевить стоимость подстанции на 40—50 % и практически сохранить ту же надежность.

б) Конструкция короткозамыкателей и отделителей.

На рис. 19.10 представлен короткозамыкатель КЗ-110 на напряжение ПО кВ. На стальной коробке 1 установлен опорный изолятор 2. Вверху опорного изолятора расположен неподвижный контакт 3, находящийся под высо­ким напряжением. Подвижный заземленный контакт — нож 4 укреп­лен на валу 5 привода короткозамыкателя. Для создания необходимой прочности нож 4 имеет ребро жесткости 6. Основание 1 изолировано от земли и присоединяется к одному концу первичной обмотки трансфор­матора тока, второй конец которой заземлен (рис. 19.12). На вал 5 действует пружина привода, которая заводится в отключенном состоя­нии. Для включения подается команда на электромагнит привода, ко­торый освобождает защелку механизма. Под действием пружины нож перемещается в вертикальной плоскости вверх и заземляет контакт 3. Время включения такого короткозамыкателя 0,15—0,25 с.

В основу конструкции отделителя ОД-110У на ПО кВ (рис. 19.11) положен двухколонковый разъединитель с вращением ножей 1 в гори­зонтальной плоскости. Приведение в движение колонок 2 осуществляет­ся пружинным приводом 3 с электромагнитным управлением. Во вклю­-

Рис. 19.10. Короткозамыкатель Рис. 19.11. Отделитель

ченном положении пружины привода заведены. При подаче команды пружина освобождается и контакты расходятся за время 0,4—0,5 с.

Схема релейной защиты при использовании отделителей и коротко­замыкателей приведена на рис. 19.12. Короткозамыкатель 1 имеет пру­жинный привод 4. Механизм расцепления 6 привода может срабаты­вать от реле максимального тока мгновенного действия 8 и независи­мого расцепителя 10. От трансформатора тока 3 питается электромагнит 9 расцепителя отделителя 2. Отделитель отключается под действием пружины 5. При нормальной работе подстанции отделитель 2 вклю­чен, а короткозамыкатель / выключен. При внутреннем повреждении трансформатора срабатывает либо реле дифференциальной защиты КА, либо газовое реле Вг. Промежуточное реле при этом включает элект­ромагнит независимого расцепителя 10. В результате короткозамыка­тель 1 включается и через трансформатор тока 3 течет ток КЗ. Элект­ромагнит 9 включается, и его якорь // заводит пружину 12. Схема будет находиться в таком состоянии до тех пор, пока от своей защиты не отключится выключатель, установленный на стороне высокого на­пряжения 220 кВ (выключатель QF1 на схеме рис. 19.9). После отклю­чения этого выключателя ток через короткозамыкатель /ив обмотке трансформатора 3 прекратится. Электромагнит 9 обесточится, его якорь

Рис. 19.12. Схема релейной защиты при использовании отделителей и короткозамыкателей

Рис. 19.13. Элегазовый короткозамыкатель

под действием возвратной пружины освобождает защелку 7, и отдели­тель 2 размыкается. Теперь выключатель на питающем конце линии может включаться вновь. Такая схема применяется только тогда, когда выключатель срабатывает (отключается) от замедленно действующей защиты. При быстродействующей защите линии применяются другие схемы.

Описанные выше конструкции короткозамыкателей и отделителей имеют большое время срабатывания (0,5—1 с), что удовлетворяет со­временные требования к энергосистемам. В перспективе это время должно быть уменьшено до 0,08—0,12 с при напряжениях до 220 кВ. Рассмотренные аппараты не обеспечивают также достаточную надеж­ность работы при гололеде и сильных морозах. Для уменьшения вре­мени включения замыкателя и времени отключения отдели геля необ­ходимо сокращать междуконтактное изоляционное расстояние путем применения элегазозой или вакуумной среды. Более перспективным является использование элегазовых аппаратов, так как удается получить необходимую прочность при одном разрыве. Для вакуумных аппаратов необходимо включение нескольких разрывов последовательно.

На рис. 19.13 представлен элегазовый короткозамыкатель на на­пряжение 110 кВ. В фарфоровом цилиндре 1 установлены контакты 2 и 3. Давление элегаза в цилиндре составляет 0,3 МПа. Привод подвиж­ного контакта 3 осуществляется тягой 5. Стальной сильфон 4 обеспе­чивает герметизацию полости цилиндра 1. Расстояние между контакта­ми 85—НО мм. Время срабатывания в 4—5 раз меньше, чем у сущест­вующих короткозамыкателей открытого типа. Короткозамыкатель за­щищен от климатических воздействий окружающей среды.

в) Выбор разъединителей. Номинальное напряжение разъединителя должно соответствовать номинальному напряжению высоковольтной сети.

Наибольший длительный ток нагрузки потребителя не должен превышать номинальное значение длительного тока разъединителя.

Ударный ток КЗ в месте установки разъединителя не должен превышать допустимую амплитуду ударного тока КЗ разъединителя.

Ток термической стойкости в течение времени , га­рантированный заводом-изготовителем, и ток КЗ , проте­кающий через разъединитель в течение времени , долж­ны быть связаны соотношением

Внешние условия работы разъединителя должны соот­ветствовать реальным условиям эксплуатации аппарата (скорость ветра, температура, гололед).

г) Выбор короткозамыкателей и отделителей. Номинальное напряжение короткозамыкателя должно соответствовать номинальному значению напряжения сети.

Динамическая и термическая стойкости короткозамы­кателя должны соответствовать току КЗ в месте его уста­новки.

Время включения короткозамыкателя должно соответ­ствовать требованиям схемы автоматики.

Номинальные данные по току и напряжению отделителя выбираются так же, как и для разъединителя. Кроме того, время отключения должно соответствовать требованиям схемы автоматики.

Глава двадцатая. Реакторы  20.1. Общие сведения

Реактором называют статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. На э. п. с. переменного и постоянного тока и на тепловозах широко применяют реакторы: сглаживающие — для сглаживания пульсаций выпрямленного тока; переходные — для переключения выводов трансформатора; делительные — для равномерного распределения тока нагрузки между параллельно включенными вентилями; токоограничивающие — для ограничения тока короткого замыкания; помехоподавления — для подавления радиопомех, возникающих при работе электрических машин и аппаратов; индуктивные шунты — для распределения при переходных процессах тока между обмотками возбуждения тяговых двигателей и включенными параллельно им резисторами и пр.

20.2. Конструкция реакторов 

Наиболее распространены бетонные реакторы. На рис. 20 3 представлен трехфазный комплект таких реакторов. Из многожильного провода / соответствующего сечения намотаны катушки реакторов Л, В, С. Заливкой в специальные формы получаются бетонные вертикальные стойки — колонны 2, которые скрепляют между собой отдельные витки катушки Торцы колонн имеют шпильки с изоляторами 3, 4. Для получения необходимой прочности электрической изоляции после затвердевания бетона реактор подвергают интенсивной сушке под вакуумом и пропитке влагостойким изоляционным лаком. 

Рис. 20.1. Трехфазный комплект реакторов Рис. 20 2. Изменение во времени электродинамических усилий, действующих между реакторами

Между отдельными витками в ряду и между рядами выдерживается значительный зазор (3,5 -f- 4,5) -10~2 м, что улучшает охлаждение отдельных витков и повышает электрическую прочность изоляции. При больших номинальных токах (более 400 А) применяется несколько параллельных ветвей. Для равномерного распределения тока по ветвям применяется транспозиция витков. Все витки ветвей должны быть одинаково расположены относительно оси реактора. В качестве обмоточного провода используется многожильный медный или алюминиевый кабель большого сечения. Кабель покрывается несколькими слоями кабельной бумаги толщиной 0,12-10-3 м и хлопчатобумажной оплеткой. Общая толщина изоляции примерно 1,5-10-3 м. Максимальная допустимая температура при длительном режиме не выше 105, при КЗ — не выше 250 °С. Охлаждение реакторов, как правило, естественное. В трехфазном комплекте (рис. 20.1) наибольшему нагреву подвергается верхний реактор, поскольку подходящий снизу воздух уже подогрет реакторами, расположенными ниже. Ввиду выделения реактором большой мощности в распределительном устройстве должны быть предусмотрены специальные каналы для охлаждающего воздуха, особенно при больших токах. Мощное магнитное поле реактора замыкается вокруг обмотки. Все ферромагнитные тела в этом поле создают дополнительные активные потери мощности и могут нагреваться до очень высоких температур. Для уменьшения этих потерь все ферромагнитные детали (балки, арматура железобетонных стен) удаляются от обмотки на расстояние, не меньшее ее внешнего радиуса. Расстояние между реакторами определяется высотой опорных изоляторов. Так как при напряжении 6—10 кВ высота этих изоляторов мала, то при больших токах в реакторах возникают электродинамические силы, которые могут разрушить изоляторы, работающие и на сжатие, и на разрыв. Изменение электродинамического усилия, действующего на изоляторы, во времени показано па рис. 20.2. В наиболее тяжелых условиях работают изоляторы верхнего реактора. Для уменьшения разрывающего усилия, действующего на изоляторы, изменяют направление поля среднего реактора на обратное. При этом большое отталкивающее усилие становится притягивающим. Изменение направления поля среднего реактора достигается изменением направления его намотки относительно направления намотки крайних реакторов. Реакторы, предназначенные для вертикальной установки в комплектах, имеют маркировку В (верхний), С (средний) и Н (нижний).

Под воздействием массы реактора изоляторы сжимаются, а растягивающая сила уменьшается. В реакторах на большие токи электродинамические силы при вертикальной установке в аварийном режиме столь велики, что изоляторы не могут обеспечить необходимую электродинамическую стойкость. В этих случаях приходится прибегать к горизонтальной установке реакторов. Расстояние между осями может быть выбрано достаточно большим. Бетонные реакторы применяются в закрытых распределительных устройствах при напряжении не выше 35 кВ. Недостатком их являются большие габаритные размеры и массы. Ведутся работы по уменьшению массы и габаритных размеров таких реакторов за счет применения современных изоляционных материалов. 20.3. Сдвоенные реакторы

а) Принцип работы. Стремление к уменьшению потерь напряжения на реакторе в номинальном режиме, к упрощению и удешевлению распределительных устройств привело к созданию сдвоенных реакторов. При обычных реакторах (рис. 20.3, а) каждая отходящая линия имеет свой реактор, рассчитанный на номинальный ток линии. Каждая трехфазная группа реакторов размещается в специальной ячейке распредустройства. В сдвоенных реакторах (рис. 20.3, б) реакторы соседних ветвей сближены так, что между ними существует сильная магнитная связь. Совмещение в одном реакторе двух уменьшает габариты аппарата, удешевляет и упрощает распредустройство.

Рис. 20.3. Включение одинарных и сдвоенных реакторов

В номинальном режиме магнитные поля реакторов направлены встречно и оказывают размагничивающее действие друг на друга. В результате индуктивное сопротивление ветви падает. Соответственно уменьшается падение напряжения на реакторе.

Чем больше коэффициент связи, тем меньше падение напряжения в ветви. С точки зрения уменьшения падения напряжения в номинальном режиме желательно увеличение коэффициента связи k. Для увеличения коэффициента связи реакторы должны быть возможно ближе друг к другу. При КЗ в одной из ветвей падение напряжения на реакторе в основном определяется ее сопротивлением Хр,в. Влияние соседней ветви, обтекаемой номинальным током, мало, так как размагничивающее действие этой ветви незначительно.

В результате напряжение на первой ветви реактора возрастает и может достигнуть удвоенного значения. При одновременном КЗ в обоих отходящих от реактора ветвях между ними возникают большие электродинамические силы. Это происходит из-за того, что, во-первых, реакторы близко расположены друг к другу и, во-вторых, возрастает ток КЗ, так как падает реактивное сопротивление деталей. Для ограничения перенапряжений и электродинамических сил коэффициент связи берется в пределах от 0,3 до 0,5.

б) Конструкция и основные параметры сдвоенного реактора. Исследования показали, что бетонные сдвоенные реакторы без применения специальных мер подвержены разрушению при одновременном КЗ в обеих ветвях. Увеличение электродинамической стойкости достигается в сборной конструкции. На рис 20.4, а показана в разрезе левая половина такого реактора. Стяжка реактора осуществляется с помощью металлических стержней 1 и стержней 2 из изоляционного материала. Катушка реактора уложена на изоляционных прокладках 3.

 

Рис. 20.4. Конструкция сдвоенного реактора

Векторы, помеченные Ра, обозначают силу взаимодействия витка с нижней частью реактора. Векторы, помеченные Рв, — силы, действующие на виток со стороны верхней части реактора. Векторы без пометки являются результирующей силой. Наибольшая отталкивающая сила действует на витки рядов 4 и 5, расположенные близко друг к другу. Для получения необходимой электродинамической стойкости близлежащие ряды ветвей реактора бандажируются стеклянной лентой, как это показано на рис. 20.4, в. Для снижения возможности одновременного КЗ обе ветви реактора не должны проходить близко друг к другу. Основные параметры сдвоенного реактора: 1) номинальный длительный ток каждой ветви; 2) индуктивное сопротивление (в процентах) одной ветви (при отсутствии тока в другой) 3) коэффициент связи 4) электродинамическая стойкость каждой ветви, определяется усилиями, возникающими между витками каждой ветви и между ветвями соседних фаз (при двух- и трехфазных КЗ). При одновременном КЗ на обеих 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 КЗ в одной ветви; 5) термическая стойкость одной ветви.