Глава 3

Токоограничивающие реакторы. Разрядники

3-1.ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЕ РЕАКТОРЫ

Автоматические выключатели, осуществляя отключение цепей при коротких замыканиях, не защищают эти цепи от разрушающего действия электродинамических сил. В современных мощных сетях токи короткого замыкания, а следовательно, и электродинамические силы бывают настолько велики, что часто не представляется возможным выполнить установки с требуемой электродинамической и термической стойкостью. С целью ограничения ударного тока короткого замыкания (КЗ) в мощных сетях применяются Токоограничивающие реакторы, которые устанавливаются на отходящих фидерах (1и 2)(рис. 3-1)и между секциями сборных шин (3).Кроме ограничения тока КЗ реакторы одновременно во время короткого замыкания поддерживают напряжение на питающих шинах на некотором определенном уровне.

Реактор представляет собой катушку с постоянным индуктивным сопротивлением х =ωL. Одним из основных параметров является его индуктивное сопротивлениеХ_р,равное отношению падения напряжения на реакторе U_рпри протекании по нему номинального тока к фазному напряжению U_ф. Индуктивное сопротивление выражается в процентах. Если пренебречь омическим сопротивлением реактора, то

Индуктивное сопротивление фидерных реакторов выбирается обычно 6 — 8 %,а секционных 8-12%.

Рис. 3-1. Схема включения токоограничивающих реакторов: а – одинарных; б – сдвоенных.

1 – фидерный; 2 – фидерный групповой; 3 – межсекционный; 4 – сдвоенный.

Следует отметить, что при номинальном режиме потери напряжения на реакторе ∆U_фне равны численно падению напряженияU_pна нем (рис. 3 -2,аи б) и существенно зависят от величиныcosφ(∆U_ф→ 0 приcosφ =1; ∆U_ф =U_рприcosφ = 0; ∆U_ф≈0,5U_рприcosφ = 0,8).Таким образом, при номинальном режиме обеспечивается допустимое (3—4%) отклонение напряжения у потребителей. При коротком замыканииcosφ>0 и большая часть напряжения приходится на реактор (рис. 3-2,6),вследствие чего на сборных шинах поддерживается сравнительно высокое остаточное напряжение, значение которого зависит от соотношения сопротивлений сети до реактора и самого реактора. Если пренебречь активным сопротивлением сети и реактора, то кратность установившегося тока короткого замыкания будет

Ударный ток короткого замыкания при расчете реакторов берется равным

Для поддержания постоянства индуктивного сопротивления токоограничивающие реакторы выполняются без стальных сердечников. При этом они получаются больших размеров и массы. Реакторы со стальными сердечниками при равной индуктивности имели бы меньшие размеры. Однако у них при больших токах сердечники насыщаются, индуктивное сопротивление таких реакторов резко снижается и реакторы теряют свои токоограничивающие свойства как раз в тот момент, когда они необходимы. Ввиду этого реакторы со стальными сердечниками не получили распространения.

Индуктивность Lреакторов может быть рассчитана по следующим формулам (размеры даны в сантиметрах, L —в миллигенри):

1)для реактора с соотношением геометрических размеров подобно рис. 3-3,а и числом витковw

где α = 3/4 при 0,3 ≤ D/[2(h+b)]≤1 и α = 1/2 при 1 ≤D/[2(h+b)]≤3;

2) для реактора, у которого h/D>>b/D(рис. 3-3, б)

где к₁=f(h/D) (кривая на рис. 3-3);

3) для реактора, у которого b/D>>h/D(рис. 3-3, в)

где к₂=f(b/D) (кривая на рис. 3-3);

Рис. 3-2. Распределение напряжений в цепи с сектором:

а – при номинальном токе; б – при коротком замыкании

Получили распространение сдвоенные реакторы 4(см. рис. 3-1,6).Такой реактор питает два фидера. Катушки каждой фазы включены так, что создаваемые ими потоки направлены встречно. При номинальном токе индуктивность (следовательно, и потери напряжения) каждой из катушек снижается из-за размагничивающего действия другой. При равных токах и коэффициенте связи, стремящемся к единице, индуктивность реактора стремилась бы к нулю. Обычно коэффициент связи равен 0,4—0,6. Соответственно уменьшаются и потери напряжения. При коротком замыкании на одном из фидеров размагничивающим действием катушки другого фидера, обтекаемой номинальным током, можно пренебречь. Индуктивность и токоограничивающее действие сдвоенного реактора получаются такими же, как у одинарного.

На напряжения до 35кВ и для внутренней установки почти исключительное распространение получили бетонные реакторы. Бетонный реактор (рис. 3-4,а) выполняется в виде концентрически расположенных витков 1из специального круглого изолированного многожильного провода, залитых в радиально расположенные бетонные колонки 2.Благодаря своей эластичности провод демпфирует термические и динамические усилия и тем самым частично снимает напряжения с бетона. Обмотки реактора на большие токи выполняются из нескольких параллельных проводов с транспозицией этих параллелей, обеспечивающей равномерное распределение токов.

Рис. 3-3. К расчету индуктивности реактора.

Рис. 3-4. Общий вид фазы бетонного реактора (а) и трехфазный комплект реактора (б).

Рис. 3-5. Общий вид фазы масляного реактора.

Число колонок определяется диаметром намотки. Основная изоляция реактора —бетон, который проходит специальный технологический режим и выпускается с высокими механическими свойствами. Весь реактор после изготовления подвергается сушке, пропитке и покрытию влагостойкими лаками. Каждая колонка реактора устанавливается на опорные изоляторы 3,которые обеспечивают изоляцию от земли и между фазами. Фазы могут быть расположены вертикально (рис. 3-4,6),а также горизонтально или ступенчато. Все металлические детали реактора выполняются из немагнитных материалов. При больших токах применяется искусственное охлаждение.

На напряжения свыше 35кВ и для наружной установки используются масляные реакторы (рис. 3-5).Обмотки 3из медных проводников, изолированных кабельной бумагой, укладываются на изоляционные цилиндры 4и размещаются в баках (баке) 2,заливаемых маслом. Концы обмотки каждой фазы выводятся через проходные изоляторы 1наружу. Масло служит и как изолирующая, и как охлаждающая среда.

Переменное поле катушек реактора, замыкающееся через стенки бака, может привести к чрезмерному нагреву этих стенок. Для снижения нагрева стенок (и масла) необходимо ограничить замыкающийся через них магнитный поток. Для этого служат электромагнитные экраны 5или магнитные шунты. Электромагнитный экран представляет собой медные (алюминиевые) короткозамкнутые витки, расположенные концентрично относительно обмотки реактора у стенок бака. Индуцируемые в витках токи создают в стенках бака поле, направленное встречно основному, и почти полностью его компенсируют. Нагрев стенок снижается. Магнитный шунт представляет собой пакеты листовой стали, укрепленные около стенок бака с внутренней его стороны и создающие искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, значительно меньшим сопротивления стенок бака. Магнитный поток реактора замыкается по магнитному шунту, а не через стенки.

3-2.РАЗРЯДНИКИ

При коммутациях, а также вследствие атмосферных разрядов в электротехнических установках часто возникают импульсы напряжения -перенапряжения, существенно превышающие номинальное. Электрическая изоляция оборудования не должна повреждаться при этом и выбирается с соответствующим запасом. Однако возникающие перенапряжения зачастую превосходят этот запас, и изоляция тогда повреждается —пробивается, что может привести к тяжелым авариям. Для ограничения возникающих перенапряжений, а следовательно, и снижения требований к уровню электрической изоляции (снижения стоимости оборудования) применяются разрядники.

Разрядник —это электрический аппарат, искровой промежуток которого пробивается при определенном значении приложенного напряжения, ограничивая тем самым перенапряжения в установке.

Разрядник состоит из электродов с искровым промежутком между ними и дугогасительного устройства. Один из электродов присоединяется к защищаемой цепи, другой —заземляется.

Если кривая 1(рис. 3-6) —номинальное напряжение, а кривая 3 —вольт-секундная характеристика изоляции оборудования (т. е. время, в течение которого изоляция может выдержать данное перенапряжение не повреждаясь), то вольт-секундная характеристика разрядника должна определяться кривой 2.При возникновении перенапряжения (кривая 4)искровой промежуток разрядника пробивается раньше (точка О), чем изоляция оборудования. После пробоя линия (сеть) заземляется через сопротивление разрядника или накоротко. При этом напряжение на линии определяется значением тока через разрядник, сопротивлением разрядника и заземления.

Падение напряжения на разряднике при протекании импульсного тока данного значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, тем лучше качество разрядника.

После пробоя разрядника от импульса напряжения его искровой промежуток ионизирован и легко пробивается фазным напряжением. Возникает короткое замыкание на землю, и через разрядник протекает ток промышленной частоты, который называется сопровождающим. Чтобы избежать срабатывания защиты и отключения оборудования, разрядник должен отключить сопровождающий ток в возможно малое время (примерно в полупериод промышленной частоты).

Рис. 3-6. Вольт-секундные характеристики.

К разрядникам предъявляются следующие требования:

1.Вольт-секундная характеристика разрядника должна быть ниже, чем у защищаемого объекта.

2.Искровой промежуток разрядника должен иметь определенную гарантированную электрическую прочность при промышленной частоте.

3.Остающееся напряжение на разряднике,ихарактеризующее его ограничивающую способность, не должно превышать значений, которые опасны для изоляции оборудования.

4.Сопровождающий ток должен отключаться на малое время.

5.Разрядник должен допускать большое число срабатываний без осмотра и ремонта.

Трубчатые разрядники.Разрядник (рис. 3-7)представляет собой дугогасительную трубку 3из полихлорвинила марки «винипласт», на концах которой закреплены металлические наконечники: верхний, закрытый, 2и нижний, открытый, 7. Внутри трубки помещается стержневой электрод 4,который крепится в хвостовике 9верхнего наконечника. Вторым электродом внутреннего искрового промежутка служит шайба б, закрепленная в нижнем наконечнике. При помощи хомутов 5 нижний наконечник (разрядник) крепится к заземленной конструкции. К нижнему же наконечнику крепится ленточный указатель срабатывания 8,свободный конец которого изгибается и заводится внутрь наконечника. При срабатывании разрядника конец указателя выбрасывается газовым дутьем, и лента выпрямляется.

Рис. 3-7. Общий вид трубчатого разрядника.

С целью разгрузки изоляционного материала разрядника от электрического поля при номинальном режиме разрядник отделяется от линии наружным (l_нар) искровым промежутком, для регулирования которого служит удлинитель (рог) 1.

При возникновении перенапряжения пробиваются оба промежутка (l_вни l_нар). Возникающая в трубке дуга вызывает сильную газогенерацию из стенок трубки. Газы устремляются через выхлопное отверстие в шайбе б и открытый наконечник, образуя интенсивное продольное дутье, которое гасит дугу при прохождении тока через нуль, одновременно гаснет дуга и на промежуткеl_нар. Отключение сопровождается большим выбросом пламени и газов (приU = 35кВА = 3м,В = 1,5м). В объеме, занимаемом пламенем и газами, не должны располагаться какие-либо токоведущие части. Предельный отключаемый ток определяется прочностью трубки и, например, для разрядников серии РТВ на 6-35кВ составляет 12кА. Предельные токи отключения разрядников с фибробакелитовыми трубками меньше, чем у разрядников с винипластовыми трубками.

Вентильные разрядники.Вентильный разрядник (рис. 3-8,а) состоит из двух основных частей: блока искровых промежутков 4,в который входит несколько последовательно соединенных единичных искровых промежутков 3(рис. 3-8,б),шунтированных подковообразными нелинейными резисторами 9,предназначенными для выравнивания распределения напряжения, и рабочего резистора, составленного из набора последовательно включенных вилитовых дисков 2.Искровые промежутки заключены в фарфоровые цилиндры 5.

Блок искровых промежутков соединен последовательно с рабочим резистором, закрыт фарфоровым кожухом 1,сжат спиральной пружиной 6 и герметизирован озоностойкой резиной 7.Необходимость герметизации обусловлена гигроскопичностью вилита, который меняет свои характеристики при увлажнении. Разрядник крепится при помощи фланцев 8к чугунному основанию (на рисунке не показано).

Провод фазы линии высокого напряжения подключается к болту на крышке. Заземляющий проводник присоединяется к чугунному основанию разрядника непосредственно или через счетчик срабатываний.

Разрядник работает следующим образом. При возникновении перенапряжения пробиваются искровые промежутки и импульсный ток через рабочий резистор уходит в землю. Сопровождающий ток ограничивается рабочим резистором до значения, при котором дуга может быть погашена искровыми промежутками. Единичный промежуток способен отключить ток с амплитудой 80—100.А при действующем восстанавливающемся напряжении 1—1,5кВ. Число искровых про­межутков и число дисков резистора выбираются исходя из указанных условий. Дуга при этом погаснет за один полупериод.

Рис. 3-8. Вентельный разрядник.

Рис. 3-9. Блок с магнитными искровыми промежутками.

Резистор из вилита характеризуется нелинейностью своего сопротивления. С ростом тока значение сопротивления падает. Это позволяет пропустить через резистор большой ток при малом падении напряжения (из-за этого разрядники получили название вентильных). Напряжение на разряднике практически мало меняется в широком диапазоне изменения токов. По мере приближения тока к нулю сопротивление резко возрастает, снижая ток до нуля ранее его естественного перехода через нуль. Это обстоятельство облегчает гашение дуги в единичных искровых промежутках.

Вентильные разрядники работают бесшумно и без какого-либо выброса газов и пламени. Для фиксации числа срабатываний устанавливаются специальные (электромагнитные, электромеханические и др.) счетчики. Вентильные разрядники выполняются на напряжения до 220кВ и предназначены для защиты изоляции элек­трооборудования от атмосферных перенапряжений. Они применяются в открытых и закрытых электроустановках с частотой 50Гц. Разрядники на 3, 6и 10кВ отличаются Друг от друга только числом искровых промежутков и числом вилитовых резисторов, а также габаритами. Разрядники на номинальные напряжения 15, 20 и 35кВ состоят из одного стандартного элемента, аналогичного изображенному на рис. 3-8,а; разрядники на напряжение 60кВ и выше—из трех и более соединенных последовательно стандартных элементов номинальным напряжением 15, 20 или 35кВ.

Разрядники магнитовентнльные (РМВГ).Эти разрядники выполняются на номинальные напряжения 150—500кВ. Они комплектуются из стандартных блоков (на 30кВ) с магнитными искровыми промежутками и соответствующего числа дисков вилитовых резисторов.

Блок магнитных искровых промежутков (рис. 3-9)представляет собой набор (здесь четыре) единичных искровых промежутков 2,расположенных вперемежку с постоянными магнитами 3кольцевой формы. Все устройство размещено в фарфоровом цилиндре 1и закрыто стальными крышками 5.Крепление всех элементов внутри цилиндра осуществляется за счет давления пружины 4.Каждый блок шунтируется резисторами с высокоомным нелинейным сопротивлением.

Единичный магнитный искровой промежуток состоит из двух концентрически расположенных медных электродов б и 8.Щель 7между ними образует искровой зазор. Кольцевые магниты 3создают в щели магнитное поле (480—640А/см).

Возникающая в щели дуга начинает вращаться по кольцевой щели с большой скоростью. По сравнению с обычными искровыми промежутками пропускная и дугогасительная способность магнитного искрового промежутка много выше.

Разрядники постоянного тока.Применение разрядников с обычными искровыми промежутками для защиты электрооборудования постоянного тока невозможно. Падение напряжения на искровом промежутке после его пробоя составит всего20-30В, и для гашения дуги потребуется чрезвычайно большое число промежутков; напряжение пробоя будет чрезмерно высоким, и не будет обеспечена защита изоляции.

Разрядники постоянного тока выполняются с устройствами для гашения дуги. Так, магнитные разрядники постоянного тока серии РМБВ состоят из искровых промежутков с дугогасящей камерой (шунтированных или не шунтированных резисторами с высокоомными нелинейными сопротивлениями), блока рабочего нелинейного вилитового резистора и дугогасящего искрового промежутка с постоянными магнитами. Конструктивно они выполняются аналогично вентильным разрядникам.

Магнитный разрядник типа РАН-1 —разрядник многократного действия с пониженным давлением внутри корпуса, предназначен для защиты от перенапряжений обмоток возбуждения синхронных машин. Разрядник имеет диапазон регулирования уставки по пробивному напряжению 1200-3500В (амплитудное значение) и позволяет пропускать ток до 5000А (амплитудное значение) при среднем значении тока в течение 1с до 1000А. Номинальное напряжение разрядника 1000В постоянного тока.