Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий. Учебное пособие

пителя указанные новые функции и свойства существенно улучшают защитные характеристики выключателей.

На рис. 5.11 приведена структурная схема полупроводникового расцепителя. В сети переменного тока в качестве измерителя применяются трансформаторы тока, а в сети постоянного тока – магнитные усилители. Блок сумматора-анализатора суммирует и анализирует сигналы, поступающие от измерителей. Если этот сигнал соответствует току перегрузки, то блок сумматора-анализатора запускает полупроводниковое реле, блок усилителя усиливает сигнал на отключение автоматического выключателя.

А В С

К исполнительному органу автоматического выключателя

Рис. 5.11. Принципиальная схема полупроводникового расцепителя автоматического выключателя

По способу размыкания питающей сети современные автоматические выключатели подразделяются на следующие виды:

–однополюсные;

–однополюсные с нейтралью;

–двухполюсные;

–трехполюсные;

–трехполюсные с нейтралью;

–четырехполюсные.

Выбор автоматического выключателя осуществляется:

–по напряжению установки Uуст ≤Uном ;

–роду тока и его значениюIнорм ≤ Iном ; Iмах ≤ Iном ;

71

–конструктивному исполнению;

–предельно отключаемому токуIотк.расч ≤ Iотк.доп ;

–быстродействию.

Номинальные напряжения и номинальные рабочие напряжения главной цепи выключателей:

•220; 380; 660; 1000 В – для переменного тока;

•110; 220; 440 В – для постоянного тока.

Номинальные токи главных цепей выключателей должны соответ-

ствовать ряду: 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300 А.

72

6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 КВ

6.1.Общие сведения и классификация

КЭА напряжением выше 1 кВ относится большое число различных аппаратов неавтоматического и автоматического управления, работающих в электрических установках.

По функциональному признаку аппараты высокого напряжения (АВН) подразделяются:

1. Коммутационные аппараты (выключатели, выключатели на-

грузки, разъединители, короткозамыкатели, отделители). Выключатели осуществляют оперативное включение и отключе-

ние электрических цепей с токами, обусловленными нормальным режимом работы установки, и автоматическое отключение этих цепей при коротких замыканиях и перегрузках, возникающих при ненормальных и аварийных режимах работы установки.

Разъединители, короткозамыкатели и отделители служат для различных переключений в цепях при отсутствии тока нагрузки; в отключенном состоянии они образуют хорошо видимые изоляционные промежутки и предназначаются для отсоединения участков сети, с которых снята нагрузка, в целях оперативного изменения схемы коммутации установки и для создания условий безопасного проведения осмотров и ремонта электрооборудования.

2.Измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения). Трансформаторы тока и трансформаторы напряжения осуществляют питание измерительных приборов и цепей релейной защиты, а также изолируют и отделяют релейные и измерительные цепи напряжением до 1 кВ от первичных цепей напряжением выше 1 кВ.

3.Ограничивающие аппараты (предохранители, разрядники и

ограничители перенапряжений – ОПН). Предохранители осуществляют защиту цепей от токов короткого замыкания и недопустимых перегрузок.

Разрядники и ОПН обеспечивают защиту сетей от воздействия больших напряжений (перенапряжений).

4. Компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы, фильтрокомпенсирующие устройства). Токоограничивающие реакторы служат для ограничения токов коротко-

73

го замыкания в мощных сетях и поддержания определенного уровня напряжения в момент короткого замыкания.

Фильтрокомпенсирующие устройства (пассивные фильтры гармоник) – особый вид конденсаторных установок, задачей которых является фильтрация высших гармоник совместно с компенсацией реактивной мощности.

К основным номинальным параметрам АВН в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) относятся:

• номинальное напряжение Uном;

• наибольшее рабочее напряжение Uн.р;

• номинальный уровень изоляции;

• номинальная частота fном;

• номинальный ток Iном.

Номинальное напряжение (линейное) – это напряжение, определяющее уровень изоляции сети и электрического оборудования. Действительные напряжения в различных точках системы могут отличаться от номинального, однако они не должны превышать наибольшее рабочее напряжение, установленное для продолжительной работы. Классы номинальных напряжений представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Класс номинальных напряжений

74

Номинальный уровень изоляции характеризуется значениями испытательных напряжений, воздействующих на основную изоляцию АВН.

Номинальный ток аппарата – ток, который может протекать через аппарат длительное время, при этом нагрев отдельных частей аппарата не должен превышать определенных допускаемых значений при заданной температуре окружающей среды. Номинальный ток высоковольтного ЭА выбирается из линейки токов: 200; 400; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000; 12 500; 16 000; 20 000; 25 000; 31 500 А.

К ЭА напряжением выше 1 кВ предъявляются следующие требования:

•надежность работы и длительный срок службы;

•стойкость в термическом и динамическом отношении при действии наибольших токов короткого замыкания;

•способность выдерживать воздействия перенапряжений, не превышающих испытательные напряжения;

•устойчивость к атмосферным воздействиям и надежность работы

взаданных условиях;

•максимально возможная простота и малогабаритность конструк-

ции;

•безопасность, простота и удобство обслуживания с возможностью быстрого и простого монтажа, ревизии и ремонта, а также испытания и профилактического контроля.

6.2. Коммутационные высоковольтные аппараты

Высоковольтные выключатели – важнейшие коммутационные аппараты высоковольтных установок и агрегатов. Они предназначены для включения и отключения электрических цепей под нагрузкой, а также для отключения их при коротких замыканиях и других повреждениях.

Высоковольтные выключатели классифицируются:

•по роду установки – для внутренней и наружной установки;

•времени отключения – обычные (время отключения более 0,1 с)

ибыстродействующие (время отключения менее 0,1 с);

•конструкции – масляные, электромагнитные, воздушные, элегазовые, вакуумные.

На рис. 6.1 представлена классификация высоковольтных выключателей.

75

Рис. 6.1. Классификация высоковольтных выключателей

Масляные выключатели появились в конце прошлого века и долгие годы являлись единственным видом выключающего аппарата в цепях высокого напряжения. Первые масляные выключатели представляли собой бак (резервуар) круглой, овальной или прямоугольной формы. Сквозь крышку этого бака проходили изоляторы, на нижних концах которых закреплялись неподвижные контакты. Подвижный контакт, перемыкающий два неподвижных контакта одного полюса, соединялся с приводным механизмом посредством изоляционной тяги. Бак заполнялся трансформаторным маслом до определенного уровня, но так, что контактная система оказывалась полностью погруженной в масло. Между поверхностью масла и крышкой бака находился воздух при атмосферном давлении (воздушная подушка). Общий вид масляного бакового выключателя представлен на рис. 6.2.

При отключении масляного выключателя его подвижный контакт отходит от неподвижных контактов и между ними возникают две дуги, включенные последовательно. Под действием высокой температуры дуги окружающее ее масло испаряется и разлагается, образуя вокруг дуги газовый пузырь. Последний содержит примерно 70% водорода (причем в области дуги и ее ореола содержится атомарный водород), около 17% ацетилена, 9% метана и другие газообразные углеводороды. В очень малых количествах выделяется свободный углерод, который может осаждаться на поверхности детали из изоляционных материалов (в основном горизонтально расположенных). Водород обладает наибольшей теплопроводностью и наименьшей

76

Процесс газообразования протекает чрезвычайно быстро и бурно. Масса масла обладает достаточно большой инерцией, поэтому давление в газовом пузыре очень быстро повышается и достигает достаточно большого значения.

По мере движения подвижного контакта длина дуг и размеры газового пузыря увеличиваются. При некоторой длине дуги в один из

77

моментов перехода тока через нуль дуга гаснет. Значительное количество водорода в газовом пузыре, по существу, и определяет высокую дугогасящую способность трансформаторного масла. Рассмотренный способ гашения дуги в масле получил название простого разрыва под маслом. В рассмотренном масляном выключателе масло служит не только дугогасящей средой, но и изоляцией между разомкнутыми контактами одного полюса (и контактами соседних полюсов, если все полюсы находятся в одном баке). Бак масляного выключателя может быть заземлен или изолирован от земли, например установкой его на изолятор. Если бак масляного выключателя заземлен, то масло является изоляцией между частями, находящимися под напряжением и заземлением. Такие выключатели получили название баковых или многообъемных масляных выключателей (масляные выключатели с большим объемом масла).

Если бак масляного выключателя изолирован, то масло может являться либо только дугогасящей средой, либо одновременно дугогасящей средой и изоляцией между разомкнутыми контактами одного полюса. Такие выключатели получили название выключателей с малым объемом масла (малообъемные или маломасляные). Масло в масляном выключателе является их основным классификационным признаком.

Баковые масляные выключатели подразделяются на однобаковые (когда токоведущие части трех полюсов находятся в одном общем баке) и трехбаковые (когда токоведущие части каждого полюса находятся в отдельном баке).

Маломасляные выключатели (горшковые) подразделяются на одноразрывные (с одним местом разрыва тока на полюс) и многоразрывные (с несколькими местами разрыва тока на полюс).

При номинальном напряжением 3…10 кВ и токах отключения 10…25 кA масляные выключатели с простым разрывом под маслом работают в энергосистемах удовлетворительно. Однако с повышением номинального напряжения до 20…35 кВ, а затем до 110 кВ и увеличением токов отключения работа масляного выключателя с простым разрывом полюса становится ненадежной. Одной из попыток улучшить работу таких масляных выключателей явилось применение многократного разрыва, т.е. одновременного размыкания от 4 до 12 контактов, соединенных последовательно, и образования такого же числа дуг. Однако это мероприятие не дало существенного эффекта и от него пришлось отказаться.

78

Вследствие простоты конструкции и эксплуатации масляные выключатели получили широкое распространение в энергетике. Они изготавливались на напряжения от 10 до 220 кВ, номинальные токи от 200 до 11 200 А и токи отключения 90 кА.

Основные недостатки выключателей: взрыво- и пожароопасность; необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и вводах; большой объем масла, необходимость наличия запасов масла; невозможность осуществления быстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установки встроенных трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность (для маломасляных выключателей).

Внастоящее время производство масляных выключателей практически прекращено.

Ввоздушных выключателях гашение дуги происходит сжатым воздухом при давлении 2…4 МПа, изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства – фарфор или другой твердый изолирующий материал. Сжатый воздух является эффективной средой, обеспечивающей надежное гашение электрической дуги. Это достигается интенсивным воздействием с максимально возможными скоростями потока воздуха на дуговой канал. В дугогасительных устройствах воздушных выключателей гашение электрической дуги происходит в дутьевых каналах (соплах), которые конструктивно в совокупности с оконечной частью контактов дугогасителя образуют дутьевую систему. Столб дуги, образовавшийся на размыкающих контактах, под действием воздушного потока растягивается и быстро переходит в сопла, где происходит гашение дуги.

Конструктивные схемы воздушных выключателей различны и зависят от их номинального напряжения, способа создания изоляционного промежутка между контактами в отключенном положении, способа подачи сжатого воздуха в дугогасительное устройство. В целях увеличения отключающей способности повышают давление сжатого воздуха. В настоящее время это давление достигает 6…8,5 МПа.

Достоинства воздушных выключателей:

• высокая отключающая способность;

• пожаробезопасность;

• высокое быстродействие;

• способность коммутации токов КЗ с большим процентом апериодической составляющей.

79

К недостаткам воздушных выключателей стоит отнести:

•наличие дорогостоящего постоянно действующего компрессорного оборудования;

•высокая чувствительность к скорости восстанавливающего напряжения при неудаленном КЗ.

Отличительной особенностью воздушных выключателей высокого напряжения является модульный принцип построения. Это обеспечивает возможность применения однотипных элементов (модулей) для создания выключателей на напряжение 110…1150 кВ.

На рис. 6.3 представлен общий вид полюса высоковольтного воздушного выключателя. Выключатель установлен на раме (1 ),

ккоторой крепится шкаф управления (2 ) и опорный изолятор (3). Внутри дугогасительная камера содержит два главных контакта, соединенных единой траверсой, и два вспомогательных контакта. Каждый из главных контактов зашунтирован резистором сопротивлением 100 Ом, служащий для облегчения гашения дуги в главных контактах, выравнивания напряжения между разрывами в процессе отключения и снижения скорости восстановления напряжения. Для тех же целей используются и шунтирующие конденсаторы (6 ). Вспомогательные контакты отключают ток сопровождения, протекающий через шунтирующие резисторы. Внутри фарфорового опорного изолятора и в промежуточном изоляторе проходят два воздухопровода из стеклопластика (4). Один служит для постоянной подачи сжатого воздуха в дугогасительные камеры, второй – для импульсной подачи сжатого воздуха в систему управления. Камеры снабжены люками, предназначенными для проведения ревизии и ремонта контактной и дугогасительной системы. Дугогасительные камеры (5) включены последовательно с токоведущей перемычкой (8).

Внутри фарфоровых изоляторов (9) проходят токоведущие части выключателя. Контактные клеммы (10) служат для присоединения линий электропередачи.

Электромагнитные выключатели имеют ограниченную область применения по напряжению (6…20 кВ). Номинальные токи электромагнитных выключателей достигают 3150 А, а номинальные токи отключения – до 40 кА. При этом в отличие от масляных и воздушных выключателей эксплуатационные расходы относительно невелики.

80