книги / Электрические аппараты. Общий курс

пульсах. Вентильный разрядник, предназначенный для защиты от атмосферных перенапряжений, не должен срабатывать при внутренних перенапряжениях.

3.Остающееся напряжение на разряднике, характе­ ризующее его ограничивающую способность, не должно превышать величин, которые опасны для изоляции обо­ рудования.

4.Сопровождающий ток частотой 50 Гц должен от­ ключаться за малое время в возможно широком диапа­ зоне токов.

5.Разрядник должен допускать большое число сра­ батываний без осмотра и ремонта.

22-2. Трубчатые разрядники

Разрез трубчатого разрядника показан на рис. 22-2. Для того чтобы разгрузить изоляционный материал разрядника от электриче­ ского поля, при нормальной работе установки он отделен от линии воздушным промежутком s2. Второй электрод разрядника заземля­

При прохождении тока через нуль происходит гашение дуги под действием эффективного охлаждения промежутка Si газами, выходящими из разрядника.

Для улучшения гашения дуги в заземленном электроде 4 раз­ рядника имеется буферный объем 5, где накапливается энергия в виде потенциальной энергии сжатого газа. При проходе тока через нуль создается дутье из буферного объема, что способствует эф­ фективному гашению дуги (см. § 19-3).

Предельная величина отключаемого тока промышленной частоты определяется механической прочностью трубки (для фибробакелито­ вой трубки 10 кА, для винипластовой, упрочненной стеклотканью на эпоксидной смоле — 20 кА).

Минимальный ток определяется гасящей способностью трубки. Чем меньше диаметр выхлопного канала, чем больше его длина, тем меньше нижний предел отключаемого тока. Однако при проте­ кании большого тока возникает высокое давление в трубке. При не­ достаточной механической прочности наступает разрушение разряд­

ника. Поэтому решающую роль для трубчатого разрядника играет его механическая прочность. До появления винипласта в качестве материала для разрядников применялась фибра. Фибровая трубка размещалась в бумажно-бакелитовой. Последняя увеличивала меха­ ническую прочность. Однако бакелит на открытом воздухе работает плохо, и требуется тщательная окраска бакелитовой трубки специ­ альным лаком, защищающим трубки от воздействия атмосферы.

При маркировке разрядника рядом с обозначением его типа ста­ вится дробь. В числителе — номинальное напряжение, в знаменате-

35 ле — отключаемые токи. Так, например, разрядник РТ 0,8—5 рас-

шифровывается как разрядник трубчатый фибровый напряжением 35 кВ, отключаемые токи в пределах 800—5000 А.

Защитное действие разрядника наглядно поясняется рис. 22-1. В момент пересечения кривой 4 с вольт-секундной характеристикой разрядника 2 наступает пробой промежутка и через него протекает импульсный ток /, который на сопротивлении заземления R3 создает падение напряжения IR3.

Более совершенными являются разрядники РТВ (разрядник трубчатый винипластовый). Винипласт обладает высокой механиче­ ской прочностью, прекрасно работает на открытом воздухе без вся­ ких покрытий, имеет высокую газогенерирующую способность.

Наибольший отключаемый ток этого разрядника доведен до 20 кА.

Работа трубчатого разрядника сопровождается сильным звуко­ вым эффектом и выбросом газов. Так, разрядник РТВ-110 имеет зо­ ну выброса в виде конуса с диаметром 3,5 и высотой 2,2 м. При установке разрядников необходимо предусмотреть, чтобы в эту зо­ ну не попадали элементы установки, находящиеся под высоким по­ тенциалом.

Защитная характеристика разрядника в значительной степени зависит от вольт-секундной характеристики промежутка между электродами. В трубчатом разряднике промежуток образован стерж­ невыми электродами, имеющими крутую вольт-секундную характе­ ристику из-за большой неоднородности электрического поля. Элек­ трическое поле в аппаратах и оборудовании стремятся сделать рав­ номерным, так как в этом случае полнее удается использовать изо­ ляционный материал и уменьшить габариты и массу оборудования. При равномерном поле вольт-секундная характеристика получается пологой, практически мало зависимой от времени. В связи с этим трубчатые разрядники, имеющие крутую вольт-секундную характе­ ристику, непригодны для защиты подстанционного оборудования. Обычно с их помощью защищается только линейная изоляция. При выборе трубчатого разрядника необходимо рассчитать возможный минимальный и максимальный ток короткого замыкания и по этим токам выбрать соответствующий разрядник. Номинальное напряже­ ние разрядника должно соответствовать номинальному напряжению сети. Размеры внутреннего sj и внешнего s2 промежутков (рис. 22-2) выбираются по специальным таблицам [Л. 4-6].

22-3. Вентильные разрядники

Разрез разрядника типа РВС-10 (разрядник вилитовый станци­ онный на 10кВ) показан на рис. 22-3, а. Основными элементами являются вилитовые кольца б, искровые промежутки 2 и рабочие ре­

зисторы 4. Эти элементы расположены внутри фарфорового кожуха I, который с торцов имеет специальные фланцы 3. С помощью этих фланцев осуществляется крепление и присоединение разрядника.

Особое внимание уделяется герметизации внутренней полости. Сами рабочие резисторы 4 изменяют свои характеристики при увлажнении. Влага, оседая на стенках и деталях внутри разрядни­ ка, ухудшает его изоляцию, создает возможность перекрытия. Гер­ метизация достигается с помощью пластин 5, закрывающих торцы раз­ рядника. Эти пластины привинчива­ ются к фланцам, между пластинами и фланцами ставятся резиновые про­ кладки 7.

Работа разрядника протекает в следующем порядке.

При появлении перенапряжения пробивается искровой промежуток и ток через рабочие резисторы уходит в землю.

Рабочие резисторы ограничивают сопровождающий ток и создают ус­ ловия, при которых дуга с этим то­ ком может быть погашена единичны­ ми искровыми промежутками (рис. 22-3, б).

После пробоя искровых проме­ жутков напряжение на разряднике равно:

Uр= /Яр.

Если сопротивление разрядника Яр линейное, то чем больше ток, тем больше напряжение на разряднике, причем, оно может стать выше допу­ стимого для оборудования. Чтобы

ограничить напряжение, сопротивление Яр берется нелинейным, причем чем больше ток, тем меньше должно становиться сопротив­ ление. Зависимость между напряжением и током можно в этом слу­ чае выразить формулой

при импульсных токах их сопротивление резко падает, что дает воз­ можность пропустить большой ток при относительно небольшом па­ дении напряжения на сопротивлении.

В настоящее время в качестве нелинейного материала широко применяется разработанный в ВЭИ в ил ит. В области больших то­ ков его степень нелинейности а имеет величину 0,13—0,20. Типичная вольт-амперная характеристика разрядника с вилитовым резистором приведена на рис, 22-4.

Основу вилита составляют зерна карборунда SiC с небольшим удельным сопротивлением около 10“2 Ом-м. На поверхности карбо­ рундовых зерен создается пленка окиси кремния Si02 толщиной 10“7 м. Сопротивление этой пленки зависит от приложенного к ней напряжения. При небольших напряжениях удельное сопротивление составляет 104—10е Ом*м. При увеличении приложенного напряже­ ния сопротивление пленки резко уменьшается и падение напряжения

ограничивается. Сопротивление в этом случае определяется в основ­ ном - зернами карборунда.

Рабочие резисторы изго­ тавливаются в виде дис­

ков диаметром 0,1—0,15 м и высотой (20—60)10~з м.

Зерна карборунда связыва­ ются в диск с помощью жидкого стекла, которое по­ сле обжига крепко схваты­ вает зерна между собой.

Вилит очень гигроскопи­ чен. Для защиты от влаги цилиндрическая поверхность покрывается изолирующей обмазкой.

Торцевые поверхности металлизируются. Эти по-

верхности являются контактами диска.

В разряднике обычно ставится несколько дисков, соединенных последовательно (на рис. 22-3,а изображено 10 дисков). При нали­ чии дисков остающееся напряжение соответственно увеличивается:

UОСТ == #

Для уменьшения остающегося напряжения число дисков п дол­ жно быть возможно меньше.

При прохождении тока в дисках выделяется тепло и повышает­ ся их температура. Если эта температура превысит определенное значение, диски потеряют свои вентильные свойства и разрядник выйдет из строя. При протекании импульных токов нагрев резис­ торов мал, несмотря на большой ток, так как длительность его про­ текания составляет несколько десятков микросекунд. После одиноч­ ного импульса резистор успевает остыть. При протекании тока про­ мышленной частоты длительность воздействия резко возрастает (1 полупериод равен 10000 мкс). Поэтому при длительном протекании даже небольшого тока происходит разрушение разрядника.

Предельный ток диска диаметром 100 мм равен 10 кА при дли­ тельности 40 мкс. Если ток имеет прямоугольную форму импульса с длительностью 2000 мкс, то допустимый ток падает до 150 А. Та­ кие токи диск без повреждения пропускает 20—30 раз [Л.4-6].

После прохождения импульсного тока через разрядник начинает протекать ток короткого замыкания промышленной частоты. По ме­ ре приближения тока к нулевому значению сопротивление вилита резко увеличивается, что ведет к искажению формы кривой тока: снижаются ток и скорость подхода тока к нулю по сравнению с кривой неискаженной синусоидальной формы. Это значительно об­

легчает процесс гашения дуги, так как уменьшается мощность, лоД^ водимая к дуге в момент, близкий к нулю тока [Л.4-2]. Активное сопротивление разрядника ограничивает ток и приближает коэффи­ циент мощности к единице, что ведет к уменьшению восстанавлива­ ющегося напряжения промышленной частоты (§ 4-6). Это позволяет погасить дугу в искровых промежутках без применения каких-либо специальных дугогасительных устройств.

Устройство единичного искрового промежутка вентильного раз­ рядника ясно из рис. 22-3, б.

Форма электродов обеспечивает равномерное электрическое по­ ле, что позволяет получить пологую вольт-секундную характеристи­ ку. Расстояние между электродами (0,5—1)10—3 м.

Ввиду затруднения возникновения заряда в закрытом объеме при малом времени импульса приняты меры для облегчения иониза­ ции. Между электродами помещается миканитовая прокладка. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха значительно мень­ ше, чем у слюды, то на границе со слюдой, в воздухе, прилегающем к электродам, возникают высокие градиенты, которые вызывают на­ чальную ионизацию воздуха. Образующиеся электроны приводят к быстрому формированию разряда в центре основного воздушного промежутка.

Промежутки соединяются в блоки (рис. 22-3,6). Обычно разряд­ ник имеет несколько таких блоков. Вольт-секундная характеристика последовательно соединенных единичных промежутков позволяет по­ лучить пологую защитную характеристику.

Известно, что после прохода тока через нуль около каждого ка­ тода восстанавливается почти мгновенно электрическая прочность (§ 4-8). Если восстанавливающееся напряжение меньше электриче­ ской прочности, то дуга гаснет. Этот эффект особенно хорошо про­ является при небольших токах (до 100 А), когда термоэлектронной эмиссией с электродов можно пренебречь. Экспериментально уста­ новлено, что единичный промежуток способен отключить сопровож­ дающий ток с амплитудой 80—100 А при действующем значении восстанавливающегося напряжения 1—1,5 кВ. Число единичных про­ межутков выбирается исходя из этого напряжения.

Количество дисков рабочего резистора должно быть таким, что­ бы максимальное значение тока не превысило 80—100 А. При этом гашение дуги обеспечивается за один полупериод.

Для того чтобы обеспечить равномерную нагрузку единичных промежутков при промышленной частоте, они снабжены шунтирую­ щими нелинейными резисторами 6 (рис. 22-3). Сопротивление этого резистора берется возможно большим, дабы сохранить неравномер­ ное распределение при высокой частоте (импульсах). Термическая стойкость дисков рассчитана на пропускание сопровождающего тока в течение одного-двух полупериодов.

Внутренние перенапряжения имеют низкочастотный характер и могут длиться до 1 с. Вследствие малой термической стойкости вилит не может быть использован для ограничения внутренних пере­ напряжений. Для ограничения внутренних перенапряжений в ВЭИ разработан новый материал тервит, обладающий большой термиче­ ской стойкостью. Коэффициент нелинейности тервита а больше, чем у вилита, что значительно увеличивает остающееся напряжение и делает этот материал непригодным для защиты от атмосферных пере­ напряжений. Поэтому для защиты от”внутренних и внешних пере­ напряжений разрядник выполняется ком бинированны м . За­

магнитное дутье. Магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов. Это полеу взаимодействуя с дугой, создает электродинами­ ческую силу, которая с большой скоростью перемещает дугу в узкой щели из дугостойкого изоляционного материала. В результате интен­ сивного охлаждения дуги ее сопротивление увеличивается и ток уменьшается до нуля (§ 19-8).

Вилитовый разрядник для сети с напряжением 3000 В показан на рис. 22-5. Вверху расположен рабочий резистор 1, состоящий из двух вилитовых дисков. Резистор соединяется с двумя искровыми промежутками 4 с магнитным гашением дуги. Надежное соединение промежутков и дисков осуществляется с помощью пружины 5, кото­ рая является одновременно токоведущим элементом. Основные эле­ менты разрядника располагаются в фарфоровом кожухе 2, который закрыт снизу крышкой 3. Герметизация осуществляется резиновой прокладкой 5.

Г лава д в а д ц а т ь тр етья ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

23-1. Общие сведения

Для удобства и безопасности измерения ток уста­ новок высокого напряжения с помощью трансформато­ ра тока изменяется до стан­ дартного значения 5 А илр- 1 А Измерительные приборы ле выполняются на эти тс включаются в цепь вторг обмотки трансформатора

остаются под потенциалом земли. Схема включения трансформатора тока показа­ на на рис. 23-1.

Отличительной особенностью режима работы транс­ форматора тока является то, что первичный ток не зави­ сит от режима работы его вторичной цепи. Будет ли вто­ ричная цепь замкнута накоротко или разомкнута, первич­ ный ток остается неизменным. Дело в том, что ток в пер­ вичной обмотке определяется сопротивлением нагрузки Zb которое на несколько порядков выше, чем входное сопротивление трансформатора со стороны первичной обмотки при любом значении сопротивления Z2. Во вто­ ричной цепи предохранитель не ставится, так как раз­

рыв этой цепи является аварийным режимом для транс­ форматора тока (§ 23-4).

Основными параметрами трансформаторов тока яв­

пряжение системы, в которой трансформатор тока дол­ жен работать. Это напряжение определяет изоляцию между первичной обмоткой, находящейся под высоким потенциалом, и вторичной," один конец которой заземлен.

может пропускать. Трансформаторы тока обычно имеют запас по нагреву и позволяют длительно пропускать то­

номинальному вторичному току:

Действительный коэффициент трансформации не ра­ вен номинальному вследствие потерь в трансформато­ ре. Различают токовую погрешность и угловую.

где / 2— вторичный ток; /,' — первичный приведенный ток.

В реальном трансформаторе вторичный ток сдвинут *по фазе относительно первичного на угол, отличный от 180°. Для отсчета угловой погрешности вектор вторично­ го тока поворачивают на 180°. Угол между этим вектором и вектором первичного тока называют у г л о в о й п о г ­ р е ш н о с т ь ю . Если перевернутый вектор вторичного тока опережает первичный ток, то погрешность положи­ тельная, если отстает, то погрешность отрицательная. Погрешность по углу измеряется в минутах.

В зависимости от погрешности по ГОСТ 7746-68 раз­ личают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Класс точности говорит о допустимой погрешности по току в процентах при номинальных условиях z2= z 2^

Наряду с токовой и угловой погрешностью ГОСТ 7746-68 вводит полную погрешность в (% ), характери­ зующую относительный намагничивающий ток:

где 1г— действующее значение первичного тока; /2— мгновенное значение вторичного тока;

ii— мгновенное значение первичного тока;

Т — период частоты переменного тока (0,02 с).

Н о м и н а л ь н а я н а г р у з к а т р а н с ф о р м а т о ­ р а т о к а — это сопротивление нагрузки в омах, при кото­ ром трансформатор работает в своем классе точности при cosq)2H=0,8. Иногда применяется понятие номинальной мощности

нальную мощность трансформатора.

Н о м и н а л ь н а я п р е д е л ь н а я к р а т н о с т ь — это кратность первичного тока по отношению к его номи­ нальному значению, при которой погрешность по току достигает 10%. Нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными.

М а к с и м а л ь н а я к р а т н о с т ь в т о р и ч н о г о т о ­ к а — это отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной на­ грузке. Максимальная кратность вторичного тока опре­ деляется насыщением магнитопровода, когда дальней­ шее возрастание первичного тока не ведет к возраста­ нию потока.

Трансформаторы тока обтекаются током короткого

(кратность) определяется отношением допустимого удар­ ного тока к амплитуде номинального первичного тока. Т е р м и ч е с к а я с т о й к о с т ь (кратность) задается от­ ношением допустимого в течение 1 с тока короткого за ­ мыкания к номинальному значению первичного тока.

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям

подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

23-2. Зависимость погрешностей от различных факторов

а) Векторная диаграмма трансформатора тока (рис. 23-2). Вторичный ток /2 и м. д. с. вторичной обмотки I2w2 совпадают по фазе. Проходя по нагрузке Z2=T?2+ + Д 2, вторичный ток создает падение напряжения U2.

Рис. 23-2. Векторная диаграмма трансформатора тока.

Сопротивление вторичной обмотки г2 и jx2. На этих сопротивлениях создается дополнительное падение на­

пряжения. Сумма этих напряжений равна э. д. с. Ё2. Поток Фо, создающий э.д. с. Е2, опережает ее на 90°.

Для создания потока Фо необходима м. д. с. /орШь пре­ одолевающая активное магнитное сопротивление, и м. д. с. IouWi, преодолевающая реактивное магнитное со­ противление (активные потери в стали — см. § 5-3).

Результирующая м. д. с., необходимая для создания потока Фо, равна InW\. На основании закона полного тока можно написать, что

Kwi = h wi — h wi- '

Если бы намагничивающий ток /о был равен нулю, то соблюдалось бы равенство первичных и вторичных

м. д. с. î 2w2==iiWi или для модулей Iill2— w2/wi.