Тиристорный пускатель

На рис. 16.4 показан один из вариантов схемы бесконтактного — тиристорного пускателя. Силовой блок Б1 содержит силовые тиристоры VS1—VS3 и диоды VD1—VD3, рассчитанные на номинальный и пуско­вой токи двигателя М. При подаче сигнала управления на электроды /—2, 3—4, 5—6 тиристоры открываются и двигатель подключается к се­ти. В отрицательный полупериод, когда тиристоры закрываются отри­цательным анодным напряжением, ток двигателя проходит по диодам VD1—VD3. Диоды могут быть заменены тиристорами.

При снятии сигнала управления (при перегрузке, потере фазы, на­жатии кнопки «Стоп») тиристоры закрываются. Следующий полупериод тока пропускается диодами. После этого диоды VD1, VD2, VD3 за­крываются и двигатель отключается от сети. По тиристорам и диодам протекает лишь небольшой ток утечки.

Сигналы управления тиристорами формируются в блокинг-генераторе Б2, который получает напряжение от блока питания БЗ. При на­жатии кнопки «Пуск» включается тиристор VS5 и все напряжение при­кладывается к резистору R3. При этом транзистор VT3 закрыт, так как напряжение на резисторе R3 больше, чем на резисторе R4. По мере за­ряда конденсатора С2 наступают условия для открытия транзистора VT3 и конденсатор С2 начинает разряжаться на обмотку , трансфор­матора Т2. Электродвижущая сила, наводящаяся при этом на обмотке способствует быстрому и полному открытию транзистора VT3. При разряде конденсатора напряжение на резисторе R3 возрастает, транзис­тор VT3 закрывается и снова начинается заряд конденсатора С2. Та­ким образом, генерируются импульсы тока в обмотке и в трех вы­ходных обмотках появляются управляющие импульсы. Диоды VD5—VD7 пропускают импульсы только положительной полярности.

Длительность импульса 30 мкс при паузе между импульсами 300 мкс (частота около 3 кГц).

Аналогичные схемы могут управляться сигналами постоянного тока или переменным током низкой частоты. Использование блокинг-генератора дает возможность быстро включать тиристор и уменьшить нагруз­ку по его управляющему электроду.

При нормальном режиме транзистор VT2 блока Б2 насыщен и лам­па Л2 не горит. Если на контакты 7, 8 блока Б2 подано напряжение с одноименных контактов блока защиты Б4, тиристор VS4 открывается и блокинг-генератор лишается питания. Блок питания БЗ включается только на резистор R8. При потере питания генерация в блоке Б2 пре­кращается и тиристор VS5 отключается. Одновременно транзистор VT2 закрывается и загорается лампа Л2, сигнализируя об отключении пус­кателя от защиты. В случае потери фазы в выходном напряжении (по­сле диодов VD8—VDW) появляется пауза. В эту паузу блок Б2 оста навливается и тиристор VS5 отключается, что ведет к закрытию си­ловых тиристоров.

Блок Б4 защиты двигателя и силовых тиристоров от перегрузки питается от трансформаторов тока ТА1—ТАЗ. Напряжение с нагрузоч­ных резисторов выпрямляется и подается на потенциометр R1. Пара­метры трансформаторов ТА1—ТАЗ и резисторов Rl, R5—R7 выбира­ются так что при номинальном токе во всех трех фазах напряжение, снимаемое с потенциометра R1, меньше напряжения пробоя стабили­трона VD11. До тех пор пока напряжение на стабилитроне меньше на­пряжения пробоя (1/<У_Проб), сопротивление стабилитрона очень вы­соко. При этом ток базы транзистора VT1 недостаточен для его откры­тия. Если ток хотя бы в одной фазе превысит номинальное значение, то возникает неравенство U>U'проб, сопротивление стабилитрона резко падает, ток в базе VT1 возрастает и он насыщается. Ток в стабилитро­не ограничивается резистором R2 до допустимого значения. Если вос­становится неравенство U<U_nJme, то сопротивление стабилитрона снова возрастет, транзистор VT1 закроется. После открытия транзистора VT1 начинается заряд конденсатора С1. Напряжение с конденсатора С1 на выход 7, 8 не подается до тех пор, пока не превысит напряжение пере­ключения динистора VD4. Динистор имеет такую же вольт-амперную характеристику, как и тиристор при /_у=0. Если перегрузка была на­столько кратковременной, что конденсатор С2 не успел зарядиться, то напряжение на выходе 7, 5 не появится и пускатель останется в работе. Если Uc\ станет больше напряжения переключения динистора VD4, про­изойдет разряд конденсатора С1 на цепь управления тиристора VS4 блока Б2 и последний откроется. При этом прекратится генерация им­пульсов, открывающих VS1—VS3, и двигатель остановится. Параметр срабатывания блока защиты регулируется потенциометром R1. За счет усложнения блока защиты можно создать выдержку времени в зависи­мости от условия перегрузки. Защита двигателя и силовых тиристоров от токов КЗ в данном пускателе осуществляется быстродействующими предохранителями Fill—FU3 типа ПНБ-5.

\

Рис. 16.4. Тиристорный пускатель

По сравнению с контактными тиристорный пускатель обладает следующими преимуществами:

1. Отсутствие электрической дуги при коммутациях делает аппарат незаменимым при работе во взрывоопасных и пожароопасных средах.

2. Высокая электрическая износостойкость (15-10^е циклов).

3. Совершенная защита от токов перегрузки и КЗ, а также при по­тере фазы, что обеспечивает увеличение срока службы двигателей.

4. Допустимое число включений достигает 2000 в час.

5. Длительность отключения не превышает 0,02 с.

6. Высокая надежность и долговечность, а также отсутствие необ­ходимости в уходе при эксплуатации.

Недостатками тиристорного пускателя являются сложность схемы, большие габариты и высокая стоимость. Несмотря на эти недостатки, бесконтактные пускатели находят широкое применение во взрыво- и по­жароопасных производствах и других областях техники, требующих вы­сокой надежности.

Лекция №17.

Тема лекции:

17. Электромагнитные муфты. Фрикционные, индукционные. Принцип действия, конструкция.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ УПРАВЛЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для регулирования частоты вращения, вращающего мо­мента на валу, для соединения и разъединения ведущего и ведомого валов применяются электрические аппараты в виде муфт с электрическим управлением. Эти муфты мож­но подразделить на индукционные и электромагнитные.

Индукционные муфты (рис. 17.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Приводной двигатель соединяется со сплошным якорем 1, ведомый вал связан с индуктором 2. Катушка возбуждения 4 создает постоянный магнитный поток 5, за­мыкающийся по якорю 1. При вращении якоря магнитное поле катушки индуктора пересекает цилиндрическое тело якоря, и в нем наводятся вихревые токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем создает силу, которая увле­кает индуктор в направлении вращения якоря. Материал якоря должен обладать малым удельным электрическим сопротивлением, что обеспечивает возникновение достаточ­но больших вихревых токов, и высокой магнитной проница­емостью для получения возможно больших значений магнитного потока.

Регулируя ток возбуждения I_в и тем самым меняя магнитное поле, можно плавно регулировать в широких преде­лах частоту вращения и передаваемый вращающий момент ведомого вала.

-

Рис. 17.1. Индукционная муфта:

7 — якорь; 2 — индуктор; 3 — магнитная система; 4 — катуш­ка возбуждения; 5—магнитный поток

На рис. 14.2 показаны механические характеристики ин­дукционной муфты. На этом рисунке I_в*= I_в/I_в.ном — ток возбуждения в относительных единицах; М_* =М/М_ном — передаваемый момент в относительных единицах, где М_ном — номинальный момент муфты; I_в.ном — соответству­ющий ему номинальный ток возбуждения; п — частота вра­щения в процентах частоты вращения при отсутствии на ведомом валу нагрузки.

При увеличении момента нагрузки угловая скорость ве­домого вала уменьшается. При этом возрастают скольже­ние и токи, наводимые в якоре муфты. Увеличение токов в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой и пере­даваемый на ведомый вал.

Механические характеристики индукционной муфты су­щественно зависят от нагрузки. Поэтому для стабилизации скорости применяются специальные регулирующие устрой­ства.

Более широко применяются электромагнитные муфты, в которых используется электромагнитное усилие притяже­ния между ферромагнитными телами. Эти муфты удобны в эксплуатации, имеют малые габаритные размеры и небольшое время срабатывания, передают большие мощ­ности на валу при сравнительно малой мощности управле­ния. Ниже рассматриваются фрикционные, ферропорошковые и гистерезисные электромагнитные муфты.

Рис. 17.2. Механические характеристики индукционной муфты при раз­личном токе возбуждения

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ

а) Принцип действия. Простейшая конструкция элект­ромагнитной фрикционной муфты представлена на рис. 14.3. Постоянное напряжение подводится к щеткам, скользящим по контактным кольцам 1, соединенным с выводами обмот­ки 2. Обмотка имеет цилиндрическую форму и окружена магнитопроводом ведущей части 3 муфты. Направляющая втулка 7 имеет выступ 6, который входит в паз 8 полумуф­ты 5, которая может перемещаться вдоль оси, оставаясь соединенной с валом 10.

В обесточенном состоянии пружина 9 упирается в на­правляющую втулку 7, жестко закрепленную на валу 10, и отодвигает подвижную часть полумуфты 5 вправо. При этом поверхности трения (диски 4) не соприкасаются и ве­домый вал 10 разобщен с ведущим валом П.

При подаче на обмотку управляющего напряжения воз­никает магнитный поток Ф. На полумуфты 3, 5, выполнен­ные из магнитомягкого материала, начинает действовать электромагнитная сила, притягивающая их друг к другу. Таким образом полумуфты и обмотка представляют собой электромагнит. Между дисками 4, жестко связанными с де­талями 3 и 5, возникает сила нажатия, обеспечивающая необходимую силу трения и их надежное сцепление.

На рис. 14.3,6 изображена поверхность трения. Элемен­тарный момент трения

dM_тр = k_трp_yд2nR²dR, (17.1)

где p_yд — давление на поверхности трения, Па; k_TP — коэф­фициент трения; R — текущий радиус поверхности трения, м.

Рис.17.3.Электромагнитная фрикционная муфта:

а–разрез муфты; б–поверхность трения

Коэффициенты трения для дисков из различных мате­риалов приведены в табл. 17.1.

Коэффициенты трения Таблица 17.1.

Материал	Режим покоя	Режим движения
Сталь — сталь	0,15	0,15
Сталь — чугун	0,3	0,18
Сталь — бронза	0,15	0,15
Чугун — чугун	0,15	0,15
Металлокерамический материал на медной основе — сталь	0,3—0,4	—
Металлокерамический материал на желез- ной основе — сталь	0,4—0,8	—

Наиболее совершенны диски из металлокерамики. Металлокерамика на медной основе состоит из 68% меди, 8% олова, 7% свинца, 6% графита, 4% кремния и 7 % железа. Составляющие в порошкообразном состоянии прессуются при высоком давлении (сотни мегапаскалей) и затем спекаются при температуре 700—800 °С. Аналогично изготовляется металлокерамика на железной основе. Металлокерамические материалы имеют высокое значение k_тр и допускают высокую рабочую температуру (до 200 °С).

Давление р_уд определяется износом поверхностей трения дисков. Для металлокерамических материалов оно состав­ляет 0,8—1, для сталей 0,4—0,6 МПа.

В процессе пуска момент, который должен быть передан муфтой, возрастает, так как кроме статического момента нагрузки М_н необходимо передать динамический момент М_дин. При этом проскальзывание (пробуксовка) поверхно­стей трения должно быть небольшим, иначе они могут вый­ти из строя из-за нагрева до высокой температуры. В режи­ме пуска

М_тр = М_н + М_дин = M_a + J = М_н k_з, (I7.2)

где J — момент инерции подвижных частей, кг-м²; — уг­ловая частота вращения, 1/с; k₃ — коэффициент запаса, учитывающий возрастание момента муфты при пуске. Зна­чения k₃ для различных видов нагрузок приведены ниже:

Вид нагрузки к₃

Металлорежущие станки . . 1,25—2,5 Краны, подъемники .... 3—5

Центробежные насосы . . . 2— 3

Воздуходувки 1,25—2

Мельницы, дробилки .... 4,0

При большом передаваемом моменте для уменьшения габаритных размеров муфты применяется многодисковая система (рис. 17.4). Диски 6 связаны с ведущей частью муфты 5 и могут свободно перемещаться вдоль направляю­щих 7. Диски 8, связанные с электромагнитом ведомой ча­сти, также могут перемещаться по направляющей 4. В дан­ной конструкции магнитный поток, создаваемый обмоткой 1, не проходит через диски, а замыкается через магнитопровод 2 и якорь 3, что позволяет уменьшить зазор элект­ромагнита. Момент, развиваемый такой муфтой,

М_тр = М_д(n-1), (17.3)

г де М_д — момент трения одной пары дисков; п — общее число дисков.

Рис. 17.4. Многодисковая фрикционная муфта

Зная поверхность трения S и допустимое давление на поверхности одного диска р_уд, можно найти основные пара­метры электромагнита. Поскольку рабочий зазор мал и маг­нитное поле в рабочем зазоре равномерно, определить элек­тромагнитное усилие можно по формуле Максвелла.

Электромагниты муфты изготавливаются из сплошного материала и поэтому имеют большую постоянную времени. При отключении муфты на контактах коммутирующего ап­парата возникает дуга, которая замедляет процесс отклю­чения и вызывает сильную эрозию контактов. При быстром обрыве дуги возможны возникновение перенапряжения и пробой обмотки. Для облегчения процесса отключения обмотка шунтируется разрядным резистором. Для устранения залипания якоря в притянутом состоянии магнитная система должна иметь конечный зазор.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФЕРРОПОРОШКОВЫЕ МУФТЫ

В ферропорошковой муфте барабанного типа (рис. 17.5) ведущий вал 1 через немагнитные фланцы 2 соединен с ферромагнитным цилиндром (барабаном) 3. Внутри цилиндра располагается электромагнит 4, связанный с ведомым ва­лом 6. Обмотка 5 электромагнита питается через контакт­ные кольца (на рисунке не показаны). Внутренняя полость 7 заполнена ферромагнитным порошком (чистое или карбо­нильное железо) с зернами размером от 4—6 до 20—50 мкм, смешанными с сухим (тальк, графит) или жидким (транс­форматорное, кремнийорганические масла) наполнителем. При обесточенной обмотке и вращении ведущей части (ба­рабана) электромагнит и ведомый вал остаются неподвиж­ными, поскольку ферромагнитные зерна наполнителя сво­бодно перемещаются относительно друг друга. Определенное трение между барабаном и электромагнитом существует, но оно относительно невелико.

При подаче напряжения на электромагнит зерна ферромагнитного порошка теряют свободу перемещения под воздействием магнитного поля обмотки. Вязкость среды, нахо­дящейся в барабане, резко возрастает. Увеличивается сила трения между барабаном и электромагнитом. На ведомом валу появляется вращающий момент.

При определенном значении тока возбуждения ферро­магнитный порошок и наполнитель полностью затвердевают. Барабан и электромагнит становятся жестко связанными. Можно рассматривать передаваемый момент как момент от силы трения, действующей между порошком и внутренней цилиндрической поверхностью барабана.

Благодаря тому что зазор между барабаном и электро­магнитом заполнен ферромагнитной смесью, его магнит­ная проводимость очень велика, что позволяет уменьшить необходимую МДС обмотки и увеличить коэффициент уп­равления муфты, равный отношению передаваемой мощ­ности к мощности управления (мощности электромагнита).

Рис. 17.5. Электромагнитная ферропорошковая муфта барабанного типа

На зерна ферромагнитного порошка кроме электромаг­нитных сил Рэм действуют центробежные силы Р_ц, пропор­циональные квадрату угловой скорости. Для оценки влия­ния центробежных сил вводится отношение £_ц = Р_ц/Р_Эм. Это отношение увеличивается с ростом диаметра муфты, уг­ловой скорости и уменьшается с ростом индукции в зазо­ре. Даже при В=1,8Тл отношение PJP_3K достигает 40%, если частота вращения равна 3000 об/мин [14.1]. При оп­ределенном значении частоты вращения отношение Р_п/Р_Эм приближается к 100 % и муфта теряет управление. Поэто­му ферропорошковые муфты не применяют при скоростях более 3000 об/мин.

По сравнению с электромагнитными муфтами трения ферропорошковые муфты имеют значительно большее бы­стродействие (примерно в 10 раз) благодаря отсутствию якоря. Изменение момента во времени для линейной части характеристики М{1) определяется законом роста тока.

Поэтому в схемах автоматики порошковая муфта является инерционным звеном первого порядка. Большим преиму­ществом ферропорошковой муфты является отсутствие быстроизнашивающихся дисков трения.

Ферропорошковые муфты целесообразно применять там, где требуются высокое быстродействе, большая частота включения и плавное регулирование скорости ведомого ва­ла. Недостатком ферропорошковых муфт является меньшая передаваемая мощность при одинаковых габаритных раз­мерах с муфтой трения.

ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ МУФТЫ

Возможны два варианта исполнения гистерезисных муфт: в первом — магнитное поле индуктора создается об­моткой, во втором — постоянными магнитами. Недостатком первого варианта является наличие контактной системы для передачи тока в индуктор, достоинством — возможность электрического управления муфтой. Муфты с постоянными магнитами (магнитогистерезисные) обладают высокой на­дежностью. Однако регулирование передаваемого момента в них затруднено.

В магнитогистерезисной муфте (рис. 17.6) постоянные магниты 1 с полюсными наконечниками 2 укреплены в магнитопроводе 3 индуктора, связанного с ведущим валом. На ось ведомого вала насажен ротор, состоящий из втулки 5 из немагнитного или магнитомягкого материала и колец 4 активного слоя. Кольца активного слоя изготовлены из материала с довольно широкой петлей гистерезиса, имею щей высокие значения остаточной индукции и коэрцитив­ной силы. Шихтованная структура активного слоя позволя­ет уменьшить вихревые токи и асинхронный вращающий момент.

Пусть ротор заторможен, а индуктор вращается привод­ным двигателем с угловой скоростью . Под действием вращающегося магнитного поля индуктора в активном слое появляются потери на гистерезис от перемагничивания. По­тери за один цикл перемагничивания определяются макси­мальным значением индукции в активном слое ротора.

Преимущество гистерезисной муфты заключается в по­стоянстве передаваемого момента. Если нагрузочный мо­мент М_н резко возрастает (неполадки, поломки механиз­ма), то максимальный момент, передаваемый на приводной двигатель, ограничен М_г и гистерезисная муфта защищает двигатель от перегрузки. Постоянство момента муфты обе­спечивает быстрый разгон нагрузки.

В ряде схем автоматики необходима быстрая остановка привода. В этих случаях применяются тормоза на базе гис­терезисной муфты. Ведомая часть муфты делается непо­движной, а ведущая соединяется с приводным двигателем. При торможении двигатель отключается и включается муфта. Постоянный тормозной момент муфты обеспечивает быструю остановку привода.

Гистерезисные муфты широко применяются для переда­чи момента в агрессивную среду, отделенную от окружаю­щей среды металлической немагнитной оболочкой и нахо­дящуюся под высоким давлением. В этом случае применя­ются муфты с аксиальным рабочим зазором. Ведущая часть с индуктором отделена немагнитной стенкой от ведомой ча­сти с активным слоем в виде колец.

Рис. 17.6. Магнитогистерезисная муфта с радиальным рабочим зазором

Лекция №18.

Тема лекции:

18. Комплектные распредустройства. Виды, состав,

конструкция.

Ограничительные аппараты. Реакторы разрядники.

Ограничители напряжения.

Назначение и классификация электрических аппаратов высокого напряжения

Электрические аппараты высокого напряжения (АВН) исполь­зуются в электроэнергетических системах (объединенных и авто­номных) для осуществления всех необходимых изменений схем выдачи мощности и электроснабжения потребителей в нормаль­ном эксплуатационном режиме и в аварийных условиях, обес­печения непрерывного контроля за состоянием высоковольтных систем, ограничения возникающих в процессе эксплуатации пере­напряжений и токов короткого замыкания, а также для ком­пенсации избыточной зарядной мощности линий. Иными словами, с помощью высоковольтных электрических аппаратов осущест­вляется управление энергетическими системами в самом широком смысле этого понятия.

По функциональному признаку аппараты высокого напряжения подразделяются на следующие виды:

• коммутационные аппараты (выключатели, выключатели на­грузки, разъединители, короткозамыкатели, отделители);

• измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряже­ния, делители напряжения);

• ограничивающие аппараты (предохранители, реакторы, раз­рядники, нелинейные ограничители перенапряжений);

• компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы).

Коммутационные аппараты используются для формирования необходимых схем выдачи мощности от электростанций, ее пере­дачи на расстояние и схем электроснабжения потребителей.

Выключатели предназначены для включения и отключе­ния токоведущих элементов электроэнергетических систем в нор­мальных (отключение рабочего тока) и аварийных (отключение тока короткого замыкания) режимах и тем самым для предотвра­щения развития аварий в электроэнергетических системах. В связи с такой ответственной ролью выключателей к ним предъ­являются очень жесткие требования. Они должны многократно (тысячи раз) обеспечивать коммутацию (включение и отключе­ние) токоведущих цепей при номинальном токе (либо при мень­ших токах). Во включенном положении выключатели должны выдерживать в течение срока службы (25 лет) воздействие рабо­чих напряжений и тока. При возникновении короткого замыкания (к.з.) выключатель должен выдержать воздействие тока к.з. и обеспечить отключение поврежденного участка сети в течение не­скольких полупериодов напряжения промышленной частоты.

Из сказанного следует, что выключатель должен иметь очень высокий коэффициент готовности: при малой продолжитель­ности процессов коммутации (несколько минут в году) должна быть постоянно обеспечена готовность к осуществлению комму­таций.

В эксплуатации используются различные типы выключателей. Наиболее распространены масляные выключатели, в которых дугогасительной средой является минеральное масло. Они изготов­ляются для распределительных устройств (РУ) напряжением до 220 кВ включительно.

Для РУ напряжением 110 кВ и выше (вплоть до 1150 кВ) наи­более широко используются воздушные выключатели, где гаше­ние дуги осуществляется потоком сжатого воздуха.

В последнее время интенсивно развиваются конструкции ва­куумных выключателей, у которых контактная система помещена в вакуумную камеру. Такие выключатели изготовляются на напряжение до 35 кВ включительно. Их отличительная особен­ность – погасание дуги при первом же переходе тока через нуль (после расхождения контактов).

Развиваются работы и по созданию элегазовых выключателей, в которых в качестве дугогасящей среды используется электроот­рицательный газ – шестифтористая сера (элегаз). Такие выклю­чатели создаются для герметичных распределительных устройств (ГРУ), а также для наружной установки, где в качестве изоля­ции относительно земли используются воздух и фарфоровые или стеклопластиковые изоляторы.

На напряжение 6 и 10 кВ наиболее распространены электро­магнитные выключатели, в которых дуга горит в воздухе при ат­мосферном давлении и в результате воздействия сильного магнит­ного поля удлиняется настолько, что отдача теплоты стволом дуги (усиленная специальными мерами) превосходит ее поступление и дуга распадается.

Выключатели нагрузки применяются, как правило, в цепи генераторного напряжения на очень большие номинальные токи (20-30 кА), когда токи короткого замыкания отключаются высоковольтными выключателями за повышающими трансформа­торами. В этом случае ток электродинамической стойкости дости­гает сотен тысяч ампер. Кроме того, выключатели нагрузки при­меняются на тупиковых подстанциях небольшой мощности, в коль­цевых линиях, когда применение выключателей оказывается неэкономичным. Существенно меньшие токи, отключаемые вы­ключателями нагрузки, определяют значительное упрощение их конструкций и снижение массогабаритных показателей по срав­нению с выключателями.

Разъединители применяются для коммутации обесточен­ных с помощью выключателей участков токоведущих систем, для переключения присоединений распределительных устройств с од­ной ветви на другую без перерыва тока и для коммутации очень малых токов ненагруженных силовых трансформаторов и корот­ких линий.

Например, при подготовке выключателя к ремонту он должен быть отделен от смежных элементов токоведущих систем, нахо­дящихся под напряжением, с помощью разъединителей и (рис. 1.1) после отключения выключателя В. При этом разъеди­нители отключают небольшой ток, определяемый напряжением сети и емкостью токоведущих элементов выключателя и подводя­щей ошиновки. Разъединители открытой установки создают види­мые разрывы токоведущей системы, обеспечивающие безопасность выполнения работ на выключателе.

После отключения разъединителей выключатель В должен за­земляться с обеих сторон с помощью переносных заземлителей либо специальных заземляющих ножей и , встраиваемых в конструкцию разъединителя.

Отделитель служит для отключения обесточенной цепи высокого напряжения за малое время (не более 0,1 с). Он по­хож на разъединитель, но снабжен быстродействующим при­водом.

Короткозамыкатель служит для создания к.з. в цепи высокого напряжения. По конструкции он сходен с заземляющим устройством разъединителя, но снабжен быстродействующим при­водом.

Короткозамыкатели и отделители устанавливаются на стороне высшего напряжения распределительных устройств (РУ) малоот­ветственных потребителей, когда с целью экономии площади и стоимости выключатели предусмотрены только на стороне низшего напряжения. При повреждении в РУ и токе к.з., недостаточ­ном для работы защиты на отправном конце питающей линии, короткозамыкатель заземляет линию. При этом увеличивается ток к.з., что обеспечивает надежное срабатывание защиты и отклю­чение линии с отправного конца выключателем. После этого от­ключаются выключатель поврежденной трансформаторной группы на стороне низшего напряжения и затем отделитель этой же группы на стороне высшего напряжения. Таким образом, повреж­денная трансформаторная группа оказывается изолированной от сети, что обеспечивает возможность повторного включения вы­ключателя на отправном конце питающей линии и восстановления питания потребителей поврежденной трансформаторной группы в результате их подключения между шинным выключателем к неповрежденной трансформаторной группе (рис. 1.2).

Рис. 18.1. Схема соединения выключателя и разъединителей

Короткозамыкатели и отделители обладают большим быстро­действием для ограничения длительности аварийного режима в системе.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН) применяются для непрерывного контроля за этими пара­метрами электрической цепи в качестве датчиков сигнала ее со­стояния, воспринимаемого устройствами защиты и автоматики. Применяются ТТ и ТН при высоких напряжениях и больших то­ках, когда непосредственное включение в первичные цепи кон­трольно-измерительных приборов, реле и приборов автоматики технически невозможно или недопустимо по условиям безопасно­сти обслуживающего персонала.

Рис. 18.2. Схема РУ с короткозамыкателями и отделителями

Измерительные трансформаторы устанавливаются в открытых (ОРУ), закрытых (ЗРУ) и герме­тичных (ГРУ) распределительных устройствах и связываются кон­трольными кабелями с приборами устройств вторичной коммута­ции, которые размещаются на панелях щитов и пультов и на стенах в помещениях щитов управления, машинного зала и рас­пределительных устройств. Основное требование к трансформато­рам тока – обеспечение передачи информации со стороны высо­кого потенциала на потенциал земли с минимально возможными искажениями. Наиболее распространенными в настоящее время являются электромагнитные трансформаторы тока и напряжения, содер­жащие магнитопровод, первичную обмотку, включаемую непо­средственно в цепь высокого напряжения последовательно (ТТ) либо параллельно (ТН), и одну или несколько вторичных обмо­ток. Номинальный ток вторичных обмоток ТТ составляет обычно 5А, иногда 1А, номинальное напряжение вторичных обмоток ТН – обычно 100 В.

Эти трансформаторы имеют очень небольшие погрешности в установившемся режиме – от долей процента до нескольких про­центов в зависимости от класса точности. Однако в переходных режимах, связанных, например, с возникновением к.з., погреш­ности измерения тока и напряжения могут достичь 10 % и более, прежде всего из-за насыщения стали сердечника.

В связи с этим в последнее время вместо электромагнитных ТН применяются емкостные делители напряжения, а вместо элек­тромагнитных ТТ – оптико-электронные (ОЭТТ), в которых сиг­нал со стороны высокого потенциала передается на землю по оптическому каналу с помощью волокнистых световодов. Такие трансформаторы тока передают сигнал на устройства защиты и управления с малыми искажениями. Однако мощность передаваемого по оптическому каналу сиг­нала недостаточна для использования в обычных устройствах ре­лейной защиты и автоматики, поэтому использование ОЭТТ не­обходимо сочетать с применением микроэлектронных устройств и ЭВМ.

Ограничивающие аппараты подразделяются на аппараты огра­ничения тока и напряжения.

К токоограничивающим аппаратам относятся высоковольтные предохранители и реакторы. Плавкие предохранители высокого напряжения предназначены для защиты силовых трансформато­ров, воздушных и кабельных линий, конденсаторов, электродвига­телей и трансформаторов напряжения.

Токоограничивающие предохранители с мелко­зернистым наполнителем применяются на напряжение 3-35 кВ с номинальным током 2-1000 А и током отключения от 2,5 до 63 кА.

Выхлопные предохранители переменного тока, где гашение дуги происходит при переходе тока через нуль, применяются на напряжение 6-220 кВ с номинальным током 2-200 А и током отключения от 1,6 до 20 кА.

Токоограничивающие реакторы представляют собой катушку индуктивности без сердечника, включаемую последова­тельно в токоведущую цепь. Реактор выбирается из условия огра­ничения тока к.з. в цепях 6-10 кВ до уровня, при котором обес­печивается динамическая и термическая стойкость коммутацион­ных аппаратов (когда их параметры недостаточны для работы без реакторов), а также термическая стойкость защищаемых ка­белей. Менее распространены токоограничивающие реакторы в се­тях 110-220 кВ. При малых токах (вплоть до номинального) падение напряжения на реакторе обычно не превышает 3-10 % номинального напряжения. При коротком замыкании на линии, защищаемой реактором, напряжение на соседней линии не должно уменьшаться более чем на 25 % по сравнению с до аварийным режимом.

Наиболее распространенным средством ограничения грозовых и внутренних перенапряжений являются разрядники. Эти аппа­раты состоят из нелинейных резисторов (варисторов) и искро­вых промежутков, автоматически подключающих блок варисто­ров к токоведущей цепи при превышении заданного уровня на­пряжения.

В настоящее время созданы варисторы с такой высокой сте­пенью нелинейности вольт-амперной характеристики, что они мо­гут быть подключены к токоведущим элементам без искровых промежутков. Протекающий по варисторам ток при номинальном напряжении составляет миллиамперы, а при повышениях напря­жения возрастает до тысяч ампер. Отсутствие искровых проме­жутков существенно упрощает конструкцию ограничителей пере­напряжений, но порождает новые проблемы, связанные с необхо­димостью обеспечения надежной работы аппарата при рабочем напряжении.

Компенсирующие аппараты. В сетях сверхвысокого напряже­ния широко применяются реакторы, включаемые между токоведущими элементами и землей (шунтирующие реакторы). Они пред­назначены для компенсации избыточной зарядной мощности в ре­жиме малых нагрузок (когда по линии передается мощность меньше натуральной). При номинальной нагрузке линии реакторы отключены, а по мере уменьшения нагрузки они под­ключаются с помощью высоковольтных выключателей.

Регулируемые (управляемые) реакторы обеспечивают возможность быстрого и плавного изменения потребляемой ими реактивной мощности без отключения от линии. Такие реакторы в настоящее время находятся в стадии разработки. Наличие об­мотки подмагничивания позволяет форсировать параметры реак­тора – кратковременно увеличивать его мощность значительно выше номинальной, а следовательно, использовать регулируемые реакторы в качестве средств глубокого ограничения внутренних перенапряжений.

Комплектные распределительные устройства составляются из полностью или частично закрытых шкафов или блоков с встроенными в них аппаратами, устройствами защиты и автоматики, поставляемых в собранном или полностью подго­товленном для сборки виде. Комплектные распределительные уст­ройства выпускаются для внутренней (КРУ) и для наружной (КРУН) установки. Комплектные РУ 6-20 кВ в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации энергетического строительства, поэтому они становятся самой распространенной формой исполнения РУ.

В последние годы начали применять комплектные РУ нового типа – герметичные (ГРУ), в которых все токоведущие элементы и аппа­раты (сборные шины, выключатели, разъединители, трансформа­торы тока и напряжения) расположены внутри герметичной оболочки, заполненной сжатым высокопрочным газом (элегазом). Такие РУ полностью изготовляются на заводе в виде отдельных ячеек, набор которых может изменяться в зависимости от схемы подстанции.

В настоящее время освоен серийный выпуск ячеек ГРУ на напряжение 110 и 220 кВ и осваивается серийный выпуск ГРУ на напряжение 330, 500, 750 и 1150 кВ.

Герметичные распределительные устройства предполагается ис­пользовать прежде всего в крупных городах с целью экономии площади и объема. Так, ГРУ 110 и 220 кВ могут быть разме­щены в подвальных помещениях жилых зданий. Целесообразно использовать ГРУ на гидростанциях, где, как правило, недоста­точно места для размещения ОРУ, а также в районах со слож­ными климатическими, метеорологическими и сейсмическими ус­ловиями и в районах с сильным загрязнением атмосферы.

Прогрессивное направление аппаратостроения – создание комплексов аппаратов – получило развитие и при создании аппа­ратов на генераторное напряжение. В комплекс объединяются все три аппарата, включаемые в рассечку токопровода – от генератора до трансформатора: выключатель, разъединитель и трансформа­тор тока. Такое объединение приводит к существенному уменьше­нию объема, занимаемого аппаратами, повышает их технико-эко­номические характеристики, в том числе надежность.

Классификация АВН

Коммутационные аппараты. В эту группу входят высо­ковольтные выключатели, предохранители, выключатели сгрузки, разъединители, отделители и короткозамыкатели.

Высоковольтный выключатель – важнейший из АВН. Он служит для включения и отключения токов любых ре­жимов: номинальных, токов КЗ, токов холостого хода (XX) силовых трансформаторов, токов холостых линий и кабе­лей. Характерной особенностью этого аппарата является наличие дугогасительного устройства (ДУ), которое обес­печивает гашение дуги, возникающей в цепи высокого на­пряжения при ее размыкании.

Разъединитель служит для включения и отключения цепей высокого напряжения при отсутствии тока. Эти аппа­раты необходимы для изменения электрических схем энер­гоустановки и создания безопасных условий при ремонте и ревизии АВН и силового оборудования (трансформаторов, генераторов и др.). Отличительной особенностью разъеди­нителя является видимый разрыв между контактами в по­ложении «отключено». Разъединитель не имеет ДУ. После снятия напряжения с оборудования необходимо заземлить токоведущие части. Для этого разъединители часто снаб­жаются заземляющими устройствами.

Высоковольтный предохранитель – аппарат, произ­водящий отключение защищаемой цепи при к.з. и недопустимой перегрузке путем плавления металлического провод­ника малого сечения и последующего гашения дуги высоко­го напряжения в ДУ.

Выключатель нагрузки. Этот аппарат служит только для включения и отключения номинальных токов установ­ки. Отключение токов к.з. и перегрузок производит высоко­вольтный предохранитель, включенный с выключателем нагрузки последовательно. В отличие от разъединителя выключатель нагрузки имеет ДУ, рассчитанное на комму­тацию номинальных токов и токов х.х. трансформаторов и линий электропередачи.

Отделители и короткозамыкатели. В связи с возрас­танием мощности приемников напряжение 35-220 кВ по­дается непосредственно на территории заводов, фабрик, го­родов. Выключатели на это напряжение имеют значитель­ные габаритные размеры и высокую стоимость. В связи с этим разработаны упрощенные схемы энергоснабжения, в которых выключатели на повышенное напряжение заме­няются простыми и дешевыми аппаратами – отделителями и короткозамыкателями, не требующими большого поме­щения.

Отделитель – это коммутационный аппарат, который служит для отключения обесточенной цепи высокого напря­жения за малое время. По своей конструкции отделитель похож на разъединитель, но имеет быстродействующий привод, который отключает его за относительно малое вре­мя (не более 0,1 с).

Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат, который служит для создания к.з. в цепи высокого напря­жения. По своей конструкции он напоминает заземляющее устройство разъединителя. Включение и отключение корот­козамыкатели производят также с помощью быстродей­ствующего привода. Время включения с момента подачи управляющего сигнала до момента замыкания контактов не превышает 0,1 с. Согласованная работа отделителя и замыкателя производится от специальной схемы автома­тики.

Ограничивающие аппараты:

1) токоограничивающий ре­актор – катушка индуктивности, которая служит для ограничения тока КЗ и поддержания необходимого напряжения на сборных шинах распредустройства. Реакторы позволяют применить высоковольтные выключатели и другие АВН облегченного типа, а также повысить надежность работы электроустановки. Наряду с токоограничивающими реакторами в установках высокого напряжения нашли примене­ние реакторы иного назначения: шунтирующие, нагрузоч­ные, дугогасящие и др.;

2) разрядники – аппараты, ограничивающие напряже­ние в электроустановке при коммутационных и атмосфер­ных перенапряжениях. Они позволяют снизить требования к прочности электрической изоляции аппаратов и оборудо­вания, уменьшить габаритные размеры электроустановки и значительно удешевить ее.

Измерительные аппараты. В эту группу входят высоко­вольтные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Они изолируют силовые цепи высокого напряжения от то­ковых цепей и цепей напряжения измерительных приборов и релейной защиты. Кроме того, они позволяют различные номинальные токи и номинальные напряжения силовых цепей высокого напряжения привести к стандартным значениям тока (1 и 5 А) и напряжения (100 В).

Комплектные распределительные устройства (КРУ) представляют собой совокупность АВН (выключатель, разъединители, ТТ, ТН, реактор и др.), которая позволяет осуществлять управление потоком энергии и защиту от аварийных режимов. КРУ изготовляются на аппаратном заводе и поставляются на подстанцию в готовом виде. Определенный набор ячеек КРУ позволяет на месте монта­жа создать распределительное устройство высокого напря­жения по одной из типовых схем. КРУ позволяет резко сократить время монтажа распределительного устройства, повысить надежность работы электроустановки, уменьшить затрату активных материалов и трудоемкость.