Электрической цепи. (К ним можно отнести – разъединители, выключатели высокого и низкого напряжения, рубильники, переключатели и т.д)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

 

Электрический аппарат – это электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии.

Понятие «электрический аппарат» охватывает очень большой круг бытовых и промышленных устройств. Многообразие самих аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение в одном аппарате нескольких функций не позволяют строго классифицировать их по одному какому-то признаку. Представляется целесообразным рассмотреть их по назначению – основной функции, выполняемой аппаратом.

В этом случае они могут быть подразделены на следующие группы:

1. – Коммутационные – предназначены для включения и отключения

электрической цепи. (К ним можно отнести – разъединители, выключатели высокого и низкого напряжения, рубильники, переключатели и т.д.).

2. – Аппараты защиты – для защиты электрических цепей от ненормальных

режимов работы (к.з., перегрузка). Сюда относятся предохранители высокого и низкого напряжения, различного рода реле.

3. –Пускорегулирующие аппараты – для управления электроприводами и

другими промышленными потребителями электроэнергии (двигатели – пуск, остановка, регулирование скорости вращения). Это контакторы, пускатели, реостаты и т.д.

4. – Ограничивающие аппараты – для ограничения токов к.з. (реакторы) и перенапряжений (разрядники).

5. – Контролирующие аппараты – для контроля заданных электрических и

неэлектрических параметров. Сюда о тносятся различного рода реле и датчики.

6. – Регулирующие аппараты – для автоматической и непрерывной

стабилизации и регулирования заданных параметров. Это различные стабилизаторы и регуляторы.

7. – Измерительные аппараты – для изоляции цепей первичной коммутации от цепей измерительных приборов и релейной защиты. (Измерительные трансформаторы тока и напряжения).

8. – Аппараты, предназначенные для выполнения механической работы – подъемные и удерживающие электромагниты, электромагнитные тормоза, муфты.

Любой аппарат состоит из трех элементов: воспринимающего, преобразующего и исполнительного.

По принципу действия воспринимающего элемента:

Электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, электродинамические, поляризованные, полупроводниковые, тепловые, электронные, магнитные и т.д.

По принципу действия исполнительного элемента:

- контактные

- бесконтактные

В пределах одной группы или типа аппараты различаются:

- по напряжению: - высокого напряжения (свыше 1000 В)

- низкого напряжения (до 1000 В)

- по роду тока: - постоянного тока,

- переменного тока промышленной частоты,

- переменного тока повышенной частоты

- по величине тока: - слаботочные (до 5А)

- сильноточные (свыше 5А)

- по режиму работы: - продолжительного

- кратковременного

- повторно-кратковременного

- по времени срабатывания: - безынерционные (до 3 мс) быстродействующие (3-50 мс), нормального исполнения (50-150 мс)

замедленные (150 мс-1 с), реле времени (свыше 1 с)

- по способу управления: - автоматические

- неавтоматические (ручного управления)

- по роду защиты от окружающей среды: в исполнении открытом, защищенном, водозащищенном, взрывозащищенном и т.д

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ АППАРАТАМ

 

1. При нормальном режиме работы температура токоведущих частей (элементов) не должна превышать допустимую (значений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ или другими нормативными документами).

2. Аппараты должны выдерживать в течении определенного времени термическое воздействие токов К.З. без каких-либо деформаций, препятствующих их дальнейшему использованию (высокая износостойкость).

3. Изоляция аппарата должна быть рассчитана с учетом возможных перенапряжений, возникающих в процессе эксплуатации, с некоторым запасом, учитывающим её «старение».

4. Контакты электрических аппаратов должны быть способны многократно включать и отключать токи рабочих режимов.

5. Аппараты должны иметь высокую надежность и точность, необходимое быстродействие, минимум массы, малые габариты, дешевизну, удобство в эксплуатации.

НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

ИСТОЧНИКИ НАГРЕВА:

1. Джоулево тело, выделяющееся в обмотках аппарата. (Это количество тепла, выделяемое в приемнике, которое пропорционально его R, t и I², Вт*с=Дж).

2. Нагрев магнитопровода за счет потерь на перемагничивание и гистерезис.

3. Диэлектрические потери в изоляционных материалах.

НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

 

Расширение тел при нагреве - (биметалические тепловые реле – электроутюг).

Создание неблагоприятных тепловых условий в одном аппарате, его разрушение и в результате защита других аппаратов (плавкие предохранители).

Преобразование электрической энергии отключаемой цепи в тепловую энергию и рассеивание этого тепла с помощью дугогасительного устройства в окружающую среду.

 

 

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

 

Продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный.

Нагрев и охлождение аппарата при продолжительном режиме работы.

При включении электрической цепи энергетический баланс аппарата выглядит так:

Pdt=k_ТSτdt+cMdτ,

 

где: Pdt - мощность тепловых потерь за время dt ;

k_ТSτdt - количество тепла, отдаваемого в окружающую среду с поверхности S при температуре τ за время dt при обобщенном коэффициенте теплоотдачи kт;

cMdτ – количество тепла, воспринимаемое аппаратом массой M со средней удельной теплоемкостью c при изменении температуры на dτ.

Решение этого уравнения имеет вид:

 

τ=τe^-t/T+τу(1-е^-t/T),

где: τ- начальное значение температуры;

τ_у – установившееся значение температуры;

Т – постоянная времени нагрева (цепи).

 

Т=,

где с – средняя удельная теплоемкость;

М – масса аппарата;

К_Т – коэффициент теплоотдачи;

S – поверхность, с которой излучается тепло.

Решение имеет графическое выражение

 

Кривая 2 соответствуют решению с начальными нулевыми условиями.

Если τ=0, то решению соответствует кривая 1.

В общем случае τ - это превышение температуры над температурой окружающей среды.

Постоянная времени нагрева T – это время, за которое аппарат нагреется до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду.

Установившегося значения температура аппарата достигает практически за 4Т.

Кривая 3 характеризует процесс охлаждения. Уравнение для процесса охлаждения имеет вид:

к_ТSτdt+cMdτ=0.

В процессе охлаждения теплового баланса нет.

Решение имеет вид:

τ=τ_у e^-t/T.

В установившемся режиме справедливо следующее выражение (формула Ньютона)

P=k_тSτ.

Для продолжительного режима работы:

τу=,

где Рпр – мощность тепловых потерь в аппарате при продолжительном режиме работы.

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ АППАРАТА В КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

 

Кратковременным считается режим, когда время паузы чередуется со временем работы, причем время паузы намного больше 4Т.

 

 

Если аппарат используется в продолжительном (длительном) режиме работы, то мощность к нему можно приложить поменьше и кривая нагрева имеет вид 1.

τ_пр=τ_у=. (1)

Если в кратковременном режиме – кривая 2.

 

=. (2)

 

Приравниваем правые части выражений (1) и (2) и определяем коэффициент перегрузки аппарата по мощности:

Кр=.

 

Он показывает во сколько раз аппарат можно перегрузить в кратковременном режиме по сравнению с продолжительным.

Коэффициент перегрузки по току:

=.

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ АППАРАТОВ В ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОМ

РЕЖИМЕ РАБОТЫ

 

Повторно-кратковременный режим характеризуется в %.

Продолжительность включения:

ПВ%=100%,

где tп – время паузы, за которое аппарат успевает охладиться;

tр – время работы;

(tр+tп) – время цикла tц.

Коэффициент перегрузки по мощности:

.

 

В течении первого цикла за время tр1 аппарат нагреется до некоторого превышения температуры τmax1 ,а за время первой паузы tп1 произойдет его охлаждение до tmin1. Во втором цикле нагрев аппарата начнется при τнач2=τmin1 и за время tр2 будет достигнута температура τmax2. Т.к. tр1=tр2 и τнач2>τнач1, то τmax2>τmax1. За время второй паузы tп2 аппарат охладится и в конце второго цикла будет температура τmin2, которая больше τmin1. Если такие циклы будут периодически повторяться достаточно долго, то в конце концов установится процесс колебания температуры аппарата, так называемый квазиустановившийся режим.

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

Магнитной цепью называются совокупность деталей и воздушных зазоров, через которые замыкается магнитный поток.

Различают разветвленные и неразветвленные магнитные цепи.

НЕРАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ:

11 - сердечник

22 - катушка электромагнита

33 - якорь

44-5 - воздушный зазор

6 - возвратная пружина

РАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ

Воздушный зазор изменяется при перемещении якоря.

ФФ_d-рабочий поток

ФФ_s-поток рассеяния

Магнитная цепь характеризуется следующими параметрами:

 

- Магнитным потоком Ф (фи) в веберах (Вб);

- Магнитной индукцией В=Ф/S в теслах (Тл);

- Напряженностью магнитного поля Н в амперах на метр (А/м);

- Магнитной проницаемостью =В/Н в генри на метр (Гн/м);

- Магнитодвижущей силой F=IW в амперах (А).

Магнитное поле создается током намагничивающей катушки. Чем больше ток (I) катушки и чем больше витков она имеет (W), тем сильнее магнитное поле, поэтому величина F=IW называется магнитодвижущей силой (М..Д.С.), которая рассматривается как причина возникновения магнитного поля.

Магнитопровод выполняется из ферромагнитного материала, который способен намагничиваться, т.е. усиливать магнитное поле, создаваемое током, при этом необходимый намагничивающий ток для создания определенного поля уменьшается в сравнении со случаем отсутствия магнитопровода. Кроме того, магнитопровод направляет поле, создаваемое катушкой, в нужную сторону. (У нас на рисунке к воздушному зазору).

Магнитное поле условно отображается замкнутыми силовыми линиями. (На рисунке пунктир). Направление и интенсивность магнитного поля в каждой точке определяется вектором магнитной индукции , касательным к силовым линиям. Вектор оценивают по механической силе, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Чем больше , тем сильнее поле в данной точке.

Если пересечь силовые линии плоскостью S, то векторы магнитной индукции пронизывают ее (подобно струям воды, текущей из крана), образуя скалярную величину:

- магнитный поток Ф=,

(где – нормаль к поверхности S).

Для равномерного потока (В равномерно распределено по S), перпендикулярного к S,значение Ф=BS.

В (магнитная индукция) оценивает магнитное поле в каждой точке, а Ф (магнитный поток) – по всему сечению магнитопровода. (Аналогично вода, текущая в трубе, имеет различную скорость в каждой точке сечения, а поток определяет расход через всё сечение трубы.)

Влияние среды, где имеется магнитный поток, оценивается вектором напряженности магнитного поля:

,

где - относительная магнитная проницаемость среды,

=4π*10^-7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

Для неферромагнитных материалов , а для намагничивающихся ферромагнитных >>1. Записав, приходим к выводу - коэффициент примерно показывает, во сколько раз ферромагнитный сердечник усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой с током.

Так как ферромагнитные материалы легко намагничиваются, то магнитный поток преимущественно замыкается по магнитопроводу (он играет для магнитного потока такую же роль, как и проводник для электрического тока), магнитная индукция в магнитопроводе намного больше, чем в окружающей среде. Поэтому различают основной магнитный поток Ф_d, который замыкается через рабочий (воздушный) зазор (а при его отсутствии через рабочий объем магнитопровода) и поток рассеяния Ф_σ, не доходящий до рабочего объема.

2-6.

Обычно Ф_d>>Ф_σ. Если специально не оговорено, будем дальше считать, что основной поток Ф_d – равномерный, а потоком Ф_σ будем пренебрегать.

При постоянном намагничивающем токе I направление потока Ф неизменно: это магнитная цепь с постоянной М.Д.С. Источником такого потока могут быть постоянные магниты.

При переменном токе i направление потока переменно: это магнитная цепь с переменной М.Д.С.

На магнитные цепи, как и на электрические, распространяются понятия ветвь, узел, контур.

О магнитных свойствах материалов, мы с Вами говорили в курсе ЭТМ (л/р №8).

И понятие домены, собственная намагниченность, коэрцитивная сила (значение обратной напряженности, при которой материал полностью размагничивается В=0), мягнитомягкие и магнитотвердые материалы Вам знакомы.

Поэтому перейдем к следующему вопросу.

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С ПОСТОЯННОЙ М.Д.С.

Расчеты магнитных цепей основаны на известном из физики законе полного тока (1) — интеграл вектора напряженности вдоль замкнутого контура равен полному току, охваченному контуром.

ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА РАСЧЕТА НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ НЕОДНОРОДНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Требуется найти поток Ф. При этом в формуле (4) известна правая часть, но не зная Ф, нельзя знать и ,…    

МАГНИТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

После насыщения ферромагнитного сердечника (точка А) даже значительное увеличение (I) тока дает малый прирост (Ф) потока (работа в зоне насыщения).… ЗАКОНЫ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ И АНАЛОГИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЦЕПЯМИ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный… Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже… Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным…

ГРАФИКИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЭТОТ ПРОЦЕСС

  механическая характеристика равна сумме сил, противодействующих движению… Только в некоторых областях якорь будет притягиваться (заштрихованные области). В остальных промежутках якорь…

УСЛОВИЯ ГОРЕНИЯ И ГАШЕНИЯ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для содержащей активное сопротивление (), индуктивность () и дуговой промежуток с падением напряжения () цепи, к которой приложено напряжение… ,где - падение напряжения на индуктивности при изменении тока.При устойчиво… Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался. Это означает, что , а .

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

ПЛАВКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Наиболее подходящим материалом для плавкого элемента является серебро. Это обусловлено тем, что серебро имеет высокую и стабильную электрическую… Серебро обладает хорошими технологическими свойствами: легко поддается точной… При воздействии высоких температур серебро может окисляться, но окислы серебра неустойчивы, и при температуре выше…

КОРПУСА ПЛАВКИХ ВСТАВОК

Фирма «Фриц Дришер» (ФРГ) изготовила предохранители с шарообразным корпусом из эпоксидной смолы, что значительно упростило массовое производство… Для корпусов предохранителей с малыми номинальными токами обычно используются…  

Контактор – это двухпозиционный аппарат с самовозвратом, предназначенный для частых коммутаций токов, не превышающих токи перегрузки, и приводимый в действие приводом. Этот аппарат имеет два коммутационных положения, соответствующие включенному и отключенному его состояниям. В контакторах наиболее широко применяется электромагнитный привод. Возврат контактора в отключенное состояние (самовозврат) происходит под действием возвратной пружины, массы подвижной системы или при совместном действии этих факторов.

Пускатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, остановки и защиты электродвигателей без выведения и введения в их цепи сопротивлений резисторов. Пускатели осуществляют защиту электродвигателей от токов перегрузки. Распространенным элементом такой защиты является тепловое реле, встраиваемое в пускатель.

Токи перегрузки для контакторов и пускателей не превышают (8-20)-кратных перегрузок по отношению к номинальному току. Для режима пуска двигателей с фазовым ротором и торможения противотоком характерны (2.5-4)-кратные токи перегрузки. Пусковые токи электродвигателей с короткозамкнутым ротором достигают (6-10)-кратных перегрузок по сравнению с номинальным током.

Электромагнитный привод контакторов и пускателей при соответствующем выборе параметров может осуществлять функции защиты электрооборудования от понижения напряжения. Если электромагнитная сила, развиваемая приводом, при снижении напряжения в сети окажется недостаточной для удержания аппарата во включенном состоянии, то он самопроизвольно отключится и осуществит таким образом защиту от понижения напряжения. Как известно, понижение напряжения в питающей сети вызывает протекание токов перегрузки по обмоткам электродвигателей, если механическая нагрузка на них будет оставаться неизменной.

Контакторы предназначены для коммутации силовых цепей электродвигателей и других мощных потребителей. В зависимости от рода коммутируемого тока главной цепи различают контакторы постоянного и переменного тока. Они имеют главные контакты, снабженные системой дугогашения, электромагнитный привод и вспомогательные контакты.Как правило, род тока в цепи управления, которая питает электромагнитный привод, совпадает с родом тока главной цепи. Однако известны случаи, когда катушки контакторов переменного тока получают питание от цепи постоянного тока.

Рисунок 1 - Конструктивная схема контактора

На рис. 1 изображена конструктивная схема контактора, отключающего цепь двигателя. В этом случае напряжение на катушке 12 отсутствует и его подвижная система под действием возвратной пружины 10, создающей силу F_в, придет в нормальное состояние.Возникающая при расхождении главных контактов дуга Д гасится в дугогасительной камере 5.

Быстрое перемещение дуги с контактов в камеру обеспечивается системой магнитного дутья. В цепь главного тока включена последовательная катушка 1, которая размещена на стальном сердечнике 2. Стальные пластины – полюса 3, расположенные по бокам сердечника 2, подводят создаваемое катушкой 1 магнитное поле к зоне горения дуги в камере. Взаимодействие этого поля с током дуги приводит к появлению сил, которые перемещают дугу в камеру.

Контактор включит цепь с током I₀, если подать напряжение U на катушку 12 приводного электромагнита. Поток Ф, созданный током, протекающим через катушку электромагнита, разовьет тяговую силу и притянет якорь 9 электромагнита к сердечнику, преодолев силы F_в противодействия возвратной 10 и F_k контактной 8 пружин.

Сердечник электромагнита оканчивается полюсным наконечником 11, поперечное сечение которого больше поперечного сечения самого сердечника. Установкой полюсного наконечника достигается некоторое увеличение силы, создаваемой электромагнитом, а также видоизменение тяговой характеристики электромагнита (зависимости электромагнитной силы от величины воздушного зазора).

Соприкосновение контактов 4 и 6 друг с другом и замыкание цепи при включении контактора произойдет раньше, чем якорь электромагнита полностью притянется к полюсу. По мере движения якоря подвижный контакт 6 будет как бы «проваливаться», упираясь своей верхней частью в неподвижный контакт 4. Он повернется на некоторый угол вокруг точки А и вызовет дополнительное сжатие контактной пружины 8. Появится провал контактов, под которым подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален.

Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под. действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора.

После соприкосновения, контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному. Контактная пружина создает определенное нажатие в контактах, поэтому при перекатывании происходит разрушение окисных пленок и других химических соединений, которые могут появиться на поверхности контактов. Точки касания контактов при перекатывании переходят на новые места контактной поверхности, не подвергавшиеся воздействию дуги и являющиеся поэтому более «чистыми». Все это уменьшает переходное сопротивление контактов и улучшает условия их работы. В то же время перекатывание повышает механический износ контактов (контакты изнашиваются).

В момент соприкосновения подвижный контакт 6 сразу же оказывает на неподвижный контакт 4 давление, обусловленное предварительным натяжением контактной пружины 8. Вследствие этого переходное сопротивление контактов в момент их касания будет небольшим и контактная площадка не разогреется при включении до значительной температуры. Кроме того, предварительное контактное нажатие, созданное пружиной 8, позволяет снизить вибрацию (отскоки) подвижного контакта при ударе его о неподвижный контакт. Все это предохраняет контакты от приваривания при включении электрической .цепи. На контактах имеются контактные накладки, выполненные из специального материала, например серебра, чтобы улучшить условия длительного прохождения тока через замкнутые контакты во включенном состоянии. Иногда применяются накладки из дугостойкого материала для уменьшения износа контактов под воздействием электрической дуги (металлокерамика «серебро-окись кадмия» и др.). Гибкая связь 7 (для подвода тока к подвижному контакту) изготовляется из медной фольги (ленты) или тонкой проволоки.

Раствором контактов называется расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии контактора. Раствор контактов обычно лежит в пределах от 1 до 20 мм. Чем ниже раствор контактов, тем меньше ход якоря приводного электромагнита. Это приводит к уменьшению в электромагните рабочего воздушного зазора, магнитного сопротивления, намагничивающей силы, мощности катушки электромагнита и его габаритов. Минимальная величина раствора контактов определяется: технологическими и эксплуатационными условиями, возможностью образования металлического мостика между контактами при разрыве цепи тока, условиями устранения возможности смыкания контактов при отскоке подвижной системы от упора при отключении аппарата. Раствор контактов также должен быть достаточным для обеспечения условий надежного гашения дуги при малых токах.

 

Рисунок 2 - Прямоходовой пускатель

Изображенная на рис. 1 схема контактора поворотного типа довольно типичная. Обычно такие контакторы предназначаются для тяжелого режима работы (большая частота циклов коммутационных операций, индуктивные цепи) при относительно высоких значениях номинального тока (десятки и сотни ампер). Другой распространенный тип контакторов и пускателей — прямоходовой; он рассчитывается преимущественно на меньшие номинальные токи (десятки ампер) и более легкие условия работы. Прямоходовой пускатель (рис. 2) имеет мостиковые контакты 2 и 3, с которых дуга выдувается в дугогасительные камеры 1. Сила F_k контактной пружины создает нажатие в замкнутых контактах, возвратная пружина F_п возвращает подвижную систему аппарата в отключенное состояние, когда будет снято напряжение с катушки. Аппарат включается электромагнитом при подаче напряжения на его катушку 5. На полюсах электромагнита переменного тока устанавливаются короткозамкнутые витки 4, устраняющие вибрацию якоря во включенном положении аппарата.

В отличие от контактора постоянного тока в контакторе переменного тока для уменьшения потерь на вихревые токи применяют шихтованные магнитопроводы и короткозамкнутые витки на полюсах для устранения вибрации якоря. Контакторы переменного тока чаще изготовляют трехполюсными, постоянного тока - однополюсными и двухполюсными. В качестве дугогасительного устройства в контакторах на постоянном токе чаще применяются щелевые камеры, на переменном - чаще дугогасительная решетка.

Для гашения дуги применяют также камеры с дугогасительной решеткой. Дугогасительная решетка представляет собой пакет тонких металлических пластин 5 (рис. 1). Под действием электродинамических сил, создаваемых системой магнитного дутья, электрическая дуга попадает на решетку и рвется на ряд коротких дуг. Пластины интенсивно отводят тепло от дуги и гасят ее, но пластины дугогасительной решетки обладают значительной термической инерционностью - при большой частоте включений они перегреваются и эффективность дугогашения падает.

Мощные контакторы переменного тока имеют главные контакты, снабженные системой дугогашения - магнитным дутьем и дугогасительной камерой с узкой щелью или дугогасительной решеткой, как и контакторы постоянного тока. Конструктивное отличие заключается в том, что контакторы переменного тока выполняют многополюсными; обычно они имеют три главных замыкающих контакта. Все три контактных узла работают от общего электромагнитного привода клапанного типа, который поворачивает вал контактора с установленными на нем подвижными контактами. На том же валу устанавливают вспомогательные контакты мостикового типа. Контакторы имеют достаточно большие габаритные размеры. Их применяют для управления электродвигателями значительной мощности.

Для увеличения срока службы конструкция контакторов допускает смену контактов.

Существуют комбинированные контакторы переменного тока, в которых параллельно главным замыкающим контактам включают два тиристора. Во включенном положении ток проходит через главные контакты, поскольку тиристоры находятся в закрытом состоянии и ток не проводят. При размыкании контактов схема управления открывает тиристоры, которые шунтируют цепь главных контактов и разгружают их от тока отключения, препятствуя возникновению электрической дуги. Поскольку тиристоры работают в кратковременном режиме, их номинальная мощность невелика и они не нуждаются в радиаторах охлаждения.

Наша промышленность выпускает комбинированные контакторы типа КТ64 и КТ65 на номинальные токи, превышающие 100 А, выполненные на базе широко распространенных контакторов КТ6000 и снабженные дополнительным полупроводниковым блоком.

Коммутационная износостойкость комбинированных контакторов в режиме нормальных коммутаций составляет не менее 5 млн. циклов, а коммутационная износостойкость полупроводниковых блоков примерно в 6 раз выше. Это позволяет многократно использовать их в системах управления.

Для управления электродвигателями переменного тока небольшой мощности применяют прямоходовые контакторы с мостиковыми контактными узлами. Двукратный разрыв цепи и облегченные условия гашения дуги переменного тока позволяют обойтись без специальных дугогасительных камер, что существенно уменьшает габаритные размеры контакторов.

Прямоходовые контакторы обычно выпускаются промышленностью в трехполюсном исполнении. При этом главные замыкающие контакты разделяются пластмассовыми перемычками 1.

Наряду со слаботочными герконами, созданы герметичные силовые магнитоуправляемые контакты (герсиконы), способные коммутировать токи в несколько десятков ампер. На этой основе были разработаны контакторы для управления асинхронными электродвигателями мощностью до 1.1 кВт. Герсиконы отличаются увеличенным раствором контактов (до 1.5 мм) и повышенным контактным нажатием. Для создания значительной силы электромагнитного притяжения используют специальный магнитопровод.

Область применения электромагнитных контакторов достаточно широка. В машиностроении контакторы переменного тока применяют чаще всего для управления асинхронными электродвигателями. В этом случае их называют магнитными пускателями. Магнитный пускатель представляет собой простейший комплект аппаратов для дистанционного управления электродвигателями и кроме самого контактора часто имеет кнопочную станцию и аппараты защиты.

На рисунке 1 (а, б) показаны соответственно монтажная и принципиальная схемы соединений нереверсивного магнитного пускателя. На монтажной схеме границы одного аппарата обводят штриховой линией. Она удобна для монтажа аппаратуры и поиска неисправностей. Читать эти схемы трудно, так как они содержат много пересекающихся линий.

а) б)

Рисунок 1 - Схемы нереверсивного пускателя

На принципиальной схеме все элементы одного аппарата имеют одинаковые буквенно-цифровые обозначения. Это позволяет не связывать вместе условные изображения катушки контактора и контактов, добиваясь наибольшей простоты и наглядности схемы.

Нереверсивный магнитный пускатель имеет контактор KM с тремя главными замыкающими контактами (Л1-С1, Л2-С2, Л3-С3) и одним вспомогательным замыкающим контактом (3-5).

Главные цепи, по которым протекает ток электродвигателя, принято изображать жирными линиями, а цепи питания катушки контактора (или цепи управления) с наибольшим током – тонкими линиями.

Для включения электродвигателя М необходимо кратковременно нажать кнопку SB2 «Пуск». При этом по цепи катушки контактора потечет ток, якорь притянется к сердечнику. Это приведет к замыканию главных контактов в цепи питания электродвигателя. Одновременно замкнется вспомогательный контакт 3 – 5,

что создаст параллельную цепь питания катушки контактора. Если теперь кнопку «Пуск» отпустить, то катушка контактора будет включена через собственный вспомогательный контакт. Такую схему называют схемой самоблокировки. Она обеспечивает так называемую нулевую защиту электродвигателя. Если в процессе работы электродвигателя напряжение в сети исчезнет или значительно снизится (обычно более чем на 40% от номинального значения), то контактор отключается и его вспомогательный контакт размыкается. После восстановления напряжения для включения электродвигателя необходимо повторно нажать кнопку «Пуск». Нулевая защита превращает непредвиденный, самопроизвольный пуск электродвигателя, который может привести к аварии.

Аппараты ручного управления (рубильники, конечные выключатели) нулевой защитой не обладают, поэтому в системах управления станочным приводом обычно применяют контакторное управление.

Для отключения электродвигателя достаточно нажать кнопку SB1 «Стоп». Это приводит к размыканию цепи самопитания и отключению катушки контактора.

В том случае, когда необходимо использовать два направления вращения электродвигателя, применяют реверсивный магнитный пускатель, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2, а. Для изменения направления вращения асинхронного электродвигателя необходимо изменить порядок чередования фаз статорной обмотки. В реверсивном магнитном пускателе используют два контактора: КМ1 и КМ2. Из схемы видно, что при случайном одновременном включении обоих контакторов в цепи главного тока произойдет короткое замыкание. Для исключения этого схема снабжена блокировкой. Если после нажатия кнопки SВ3 «Вперед» и включения контактора КМ1 нажать кнопку SB2 «Назад», то размыкающий контакт этой кнопки отключит катушку контактора КМ1, а замыкающий контакт подаст питание в катушку контактора КМ2. Произойдет реверсирование электродвигателя.

 

 

Рисунок 2 - Схемы реверсивного пускателя

Аналогичная схема цепи управления реверсивного пускателя с блокировкой на вспомогательных размыкающих контактах изображена на рисунке 2, б. В этой схеме включение одного из контакторов, например КМ1, приводит к размыканию цепи питания катушки другого контактора КМ2. Для реверса необходимо предварительно нажать кнопку SB1 «Стоп» и отключить контактор КМ1. Для надежной работы схемы необходимо, чтобы главные контакты контактора КМ1 разомкнулись раньше, чем произойдет замыкание размыкающих вспомогательных контактов в цепи контактора КМ2. Это достигается соответствующей регулировкой положения вспомогательных контактов по ходу якоря.

В серийных магнитных пускателях часто применяют двойную блокировку по приведенным выше принципам. Кроме того, реверсивные магнитные пускатели могут иметь механическую блокировку с перекидным рычагом, препятствующим одновременному срабатыванию электромагнитов контакторов. В этом случае оба контактора должны быть установлены на общем основании.

Магнитные пускатели открытого исполнения монтируют в шкафах электрооборудования. Пускатели пылезащищенного и пылебрызгонепроницаемого исполнения снабжают кожухом и монтируют на стене или стойке в виде отдельного аппарата.

Электромагнитные контакторы выбирают по номинальному току электродвигателя с учетом условий эксплуатации. ГОСТ 11206-77 устанавливает несколько категорий контакторов переменного и постоянного тока. Контакторы переменного тока категории АС-2, АС-3 и АС-4 предназначены для коммутации цепей питания асинхронных электродвигателей. Контакторы категории АС-2 используют для пуска и отключения электродвигателей с фазным ротором. Они работают в наиболее легком режиме, поскольку эти двигатели обычно пускаются при помощи роторного реостата. Категории АС-3 и АС-4 обеспечивают прямой пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и должны быть рассчитаны на шестикратный толчок пускового тока. Категория АС-3 предусматривает отключение вращающего асинхронного электродвигателя. Контакторы категории АС-4 предназначены для торможения противотоком электродвигателей с короткозамкнутым ротором или отключения неподвижных электродвигателей и работают в наиболее тяжелом режиме.

Контакторы, предназначенные для работы в режиме АС-3, могут быть использованы в условиях, соответствующих категории АС-4, но номинальный ток контактора при этом снижается в 1.5-3 раза. Аналогичные категории применения предусмотрены для контакторов постоянного тока.

Контакторы категории ДС-1 применяют для коммутации малоиндуктивной нагрузки. Категории ДС-2 и ДС-3 предназначены для управления электродвигателями постоянного тока с параллельным возбуждением и позволяют коммутировать ток, равный . Категории ДС-4 и ДС-5 применяют для управления электродвигателями постоянного тока с последовательным возбуждением.

Указанные категории определяют режим нормальных коммутаций, в котором контактор может непрерывно работать длительное время. Кроме того, различают режим редких (случайных) коммутаций, когда коммутационная способность контактора может быть увеличена примерно в 1.5 раза.

Если асинхронный электродвигатель работает в повторно-кратковременном режиме, то выбор контактора осуществляется по величине среднеквадратичного тока. На выбор контактора влияет степень защиты контактора. Контакторы защищенного исполненияимеют худшие условия охлаждения, и их номинальный ток снижается примерно на 10% по сравнению с контакторами открытого исполнения.

 

КОНТАКТНО – ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТАКТОРОВ

 

В контакторах обычно используются рычажные (рис. 1, а) и мостиковые (рис. 1, б) контакты. В рычажных контактах образуется при отключении один разрыв (одна дуга), в мостиковых – два (две дуги). Поэтому при прочих равных условиях возможности для отключения электрических цепей у аппаратов с мостиковыми контактами выше, чем у аппаратов с рычажными (пальцевыми) контактами.

Рисунок 1 – Рычажные и мостиковые контакты

Мостиковые контакты по сравнению с рычажными имеют тот недостаток, что в замкнутом состоянии в них создается два контактных перехода тока, в каждом из которых должно быть создано надежное касание. Поэтому сила контактной пружины должна быть удвоенной (по сравнению с рычажными контактами), что в конечном итоге увеличивает мощность электромагнитного привода контактора.

В контакторах переменного тока на отключаемые токи до 100 А при напряжении сети до 100-200 В можно не применять дугогасительные камеры, так как дуга гасится за счет растяжения ее в атмосферном воздухе (открытый разрыв). Для предотвращения перекрытия электрических дуг на соседних полюсах применяются изоляционные перегородки. Контакторы с открытым разрывом дуги существуют также и на постоянном токе, но отключаемые токи для них существенно меньше.

При высоких значениях отключаемых токов и напряжений аппараты снабжаются дугогасительными камерами, из которых наиболее распространены щелевые камеры и дугогасительные решетки. Щелевая камера (рис. 2, а) образует внутри узкий просвет (щель) между стенками из дугостойкого изоляционного материала (асбестоцемент и др.). В него загоняется электрическая дуга 1 и там она гасится за счет усиленного отвода тепла при тесном соприкосновении со стенками.

Дугогасительная решетка (рис. 2, б) представляетсобой пакет из тонких (мм) металлических пластин 2, на которые выдувается дуга. Пластины выполняют роль радиаторов, интенсивно отводящих тепло от столба дуги и способствующих ее гашению.

Наиболее важной характеристикой дугогасительной камеры является вольт – амперная характеристика. Используя ее, можно рассчитать процессы гашения дуги при отключении цепи.

 

Рисунок 2 – Дугогасительные камеры

Как показал опыт эксплуатации, дугогасительная решетка непригодна для частых отключений цепи при сравнительно больших токах. При большой частоте отключений ее пластины разогреваются до высоких температур и не успевают остыть. Они оказываются неспособными охлаждать столб дуги, и решетка отказывает в работе. Для режима частых отключений цепи более пригодны щелевые дугогасительные камеры.

Система магнитного дутья предназначена для того, чтобы создать дополнительные силы для схода дуги с контактов и вхождения ее в дугогасительную камеру (рис. 3, а). Катушка 1 магнитного дутья включена последовательно в цепь отключаемого тока. Созданный ею магнитный поток Ф с помощью деталей 2 и 3 магнитопровода подводится к зоне горения дуги у входа в дугогасительную камеру 4.

Рисунок 3 – Система магнитного дутья

Взаимодействие тока дуги (А) с магнитным полем напряженностью (А/м) приводит к появлению действующей на дугу электродинамической силы (Н), которая загоняет дугу длиной (м) в камеру:

, (*)где Гн/м.

В зоне горения дуги (в воздушном зазоре , м, между пластинами 3 на рис. 3, а) в соответствии с законом полного тока для однородного поля (HL=Iw) напряженность поля (А/м)

.

Подставив это значение в (*), получим:

,

где – число витков катушки.

Так как в системе с катушкой последовательного магнитного дутья сила пропорциональна квадрату тока, то целесообразно использовать этот вид дутья в контакторах, рассчитанных на сравнительно большие номинальные токи. Для сокращения расхода меди на изготовление катушки, сечение которой должно выбираться по номинальному току контактора, желательно иметь возможно меньшее число витков катушки. Однако это число витков должно обеспечивать такую напряженность магнитного поля в зоне его взаимодействия с током дуги, которая создаст условия для надежного гашения дуги в заданном диапазоне отключаемых токов. Обычно оноизмеряется единицами при номинальных токах в сотни ампер, а при токах в десятки ампер достигает десяти и выше.

Преимущество систем с катушкой последовательного магнитного дутья заключается в том, что направление силы не зависит от направления тока . Это позволяет применять указанную систему не только на постоянном, но и на переменном токе. Однако на переменном токе вследствие появления вихревых токов в магнитопроводе может возникнуть сдвиг по фазе между током дуги и результирующей напряженностью магнитного поля в зоне горения дуги, что может вызвать обратное «забрасывание» дуги в камеру.

Недостаток системы с катушкой последовательного магнитного дутья – малая напряженность магнитного поля, создаваемая ею при небольших отключаемых токах. Поэтому параметры этой системы надо выбирать так, чтобы в области этих токов обеспечить максимально возможную напряженность магнитного поля в зоне горения дуги, не прибегая к значительному увеличению числа витков катушки магнитного дутья, чтобы не вызывать излишнего расхода меди на её изготовление. При небольших токах магнитопровод этой системы не должен насыщаться. Тогда почти вся намагничивающая сила катушки компенсируется падением магнитного потенциала в воздушном зазоре и напряженность магнитного поля в нем окажется максимально возможной. При больших токах магнитопровод, наоборот, целесообразно вводить в насыщение, когда его магнитное сопротивление становится большим. Это снизит напряженность магнитного поля в зоне расположения дуги, уменьшит силу и интенсивность гашения дуги, снизит перенапряжения при её гашении.

Существует система с катушкой параллельного магнитного дутья, когда катушка 1 (см. рис. 3), содержащая сотни витков из тонкого провода и рассчитываемая на полное напряжение источника питания, создает в зоне горения дуги напряженность магнитного поля (А/м)

.

Действующая на дугу электродинамическая сила (Н) (см. рис. 3, б)

,

где

В этой системе сила, действующая на дугу, пропорциональна току в первой степени. Поэтому она оказывается более целесообразной для контакторов на небольшие токи (примерно до 50 А).

Контактор с параллельной катушкой магнитного дутья реагирует на направление тока. Если направление магнитного поля сохраняется неизменным, а ток изменит свое направление, то сила будет направлена в противоположную сторону. Дуга будет перемещаться не в дугогасительную камеру, а в противоположную сторону – на катушку магнитного дутья, что может привести к аварии в контакторе. Это – недостаток рассматриваемой системы. Недостатком этой системы является также необходимость повышения уровня изоляции катушки в расчете на полное напряжение сети. Понижение напряжения сети приводит к уменьшению намагничивающей силы катушки и ослаблению интенсивности магнитного дутья, что снижает надежность дугогашения.

В системе магнитного дутья вместо катушки напряжения можно применять постоянный магнит. По свойствам такая система аналогична системе с параллельной катушкой магнитного дутья. Замена катушки напряжения постоянным магнитом исключит расход меди и изоляционных материалов, которые потребовались бы на создание катушки. При этом в системе не должны нарушаться свойства постоянного магнита в процессе эксплуатации.

Системы с катушкой параллельного магнитного дутья и постоянными магнитами на переменном токе не применяются, так как практически невозможно согласовать направление магнитного потока с направлением тока дуги, чтобы получить одно и то же направление силы в любой момент времени.

С увеличением напряженности поля магнитного дутья улучшаются условия схода дуги с контактов на дугогасительные рога и облегчается её вхождение в камеру. Поэтому с ростом уменьшается также износ контактов от термического воздействия дуги, но до определенного предела.

Большие напряженности поля создают значительные силы, воздействующие на дугу и выбрасывающие расплавленные металлические мостики из межконтактного промежутка в атмосферу. Это повышает износ контактов . При оптимальной напряженности поля износ контактов минимален.

Износ контактов – важный технический фактор. Поэтому принимаются серьезные меры, например уменьшение вибрации контактов при включении аппарата, чтобы уменьшить износ и увеличить срок службы контактов.

Важной характеристикой дугогасительного устройства переменного тока является закономерность роста восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка за переходом тока через нуль.

 

12 РЕЛЕ. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ – ТЕХНИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ АППАРАТУРЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

Релейная защита любой электроустановки содержит три основные части: измерительную, логическую и выходную. В измерительную часть входят измерительные и пусковые органы защиты, которые воздействуют на логическую часть при отклонении электрических параметров (тока, напряжения, мощности, сопротивления) от значений, предварительно заданных для защищаемого объекта.

Логическая часть состоит из отдельных переключающих элементов и органов выдержки времени, которые при определенном действии (срабатывании) измерительных и пусковых органов в соответствии с заложенной в логическую часть программой запускают выходную часть.

Выходная часть связывает релейную защиту с цепями управления коммутационными аппаратами (выключателями) и устройствами передачи команд по каналам связи и телемеханики. Выходные органы защиты имеют на выходе переключающие элементы достаточной мощности, обеспечивающие работу цепей управления.

До последнего времени все органы релейной защиты выполнялись только с помощью электромеханических реле.

Во всех органах защиты, за исключением измерительных, чаще всего применяют электромагнитные реле клапанного типа или со втягивающимся якорем.

Таким образом, в релейной защите используется весьма большое количество самых разных электромеханических устройств. Это привело к значительному усложнению производства релейной аппаратуры и ее обслуживания.

Современная энергетика развивается ускоренными темпами. Растет протяженность линий электропередачи, уровень рабочего напряжения уже превышает миллион вольт. На опорных подстанциях устанавливают трансформаторы с пропускной мощностью в несколько миллионов киловольт-ампер. В огромном количестве сооружаются линии и подстанции в распределительных сетях и на промышленных предприятиях.

Все это оборудование должно быть оснащено релейной защитой с самыми различными характеристиками. Во все увеличивающихся объемах должен быть обеспечен выпуск аппаратуры для релейной защиты. Нередко новые требования к релейной защите не могут быть удовлетворены из-за несовершенства аппаратуры, содержащей электромеханические устройства. Стало очевидным, что использование электромеханических устройств в релейной аппаратуре задерживает дальнейшее развитие техники релейной защиты как в качественном, так и в количественном отношениях.

Возможный выход из создавшегося положения открылся благодаря успехам современной полупроводниковой схемотехники, а в первую очередь – созданию интегральных микросхем.

В последние годы в технике релейной защиты начала успешно применятся аппаратура, содержащая интегральные микросхемы. Использование микросхем позволило заметно улучшить характеристики защит по сравнению с традиционными на базе электромеханических реле.

Интегральные микросхемы относятся к категории электронных устройств средней степени интеграции, реализующих одну или несколько однородных функций.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает релейную аппаратуру только на серийных микросхемах средней степени интеграции.

Имеется два основных вида интегральных микросхем. Один вид – это так называемые логические микросхемы. Их роль заключается в том, что они обеспечивают подобно промежуточным реле выдачу управляющих команд в логической части защиты.

Логические микросхемы действуют при поступлении на их входы определенных сочетаний из двух управляющих сигналов – один из них называется нулевым и обозначается цифрой 0, а другой – единичным и обозначается цифрой 1. Эти сигналы поступают в виде напряжений постоянного тока. Нулевой сигнал – это напряжение “низкого”, или “нулевого”, уровня, а единичный – это напряжение “высокого”, или “единичного”, уровня.

На выходе микросхемы всегда держится один из таких сигналов. В исходном состоянии в зависимости от характера выполняемой операции на выходе микросхем устанавливается либо нулевой, либо единичный сигнал. При действии микросхемы происходит замена имеющегося выходного сигнала сигналом другого уровня. Такое действие аналогично замыканию или размыканию контакта промежуточного реле при образовании цепочки на его срабатывание.

Другой вид интегральных микросхем, называемых аналоговыми или линейными, представляют собой усилительное устройство высокой чувствительности. Оно имеет обычно два отдельных входных и общий выходной зажимы.

Кроме них имеются зажимы для подачи напряжений питания, а в некоторых вариантах исполнения – также дополнительные зажимы для компенсации внутренних искажающих сигналов.

В аналоговых микросхемах производится усиление напряжения, представляющего собой разность напряжений, подаваемых на входные зажимы. Аналоговые микросхемы имеют очень большой коэффициент усиления. Выходное сопротивление таких микросхем весьма мало, и в применяемых схемах его обычно не учитывают. Практически можно считать, что сигнал на выходе аналогового усилителя отсутствует только тогда, когда оба входных тока или их разность равны нулю. При появлении входного тока благодаря тому, что коэффициент усиления операционного усилителя стремится к бесконечности, напряжение на выходе сразу же достигает максимального значения, близкого к напряжению питания. Оно оценивается как напряжение насыщения. Знак этого напряжения определяется знаком разности входных токов.

В связи с тем, что аналоговые микросхемы были впервые применены для выполнения математических действий в ЭВМ, их стали называть операционными усилителями (ОУ).

Серийная аппаратура релейной защиты, выполнена на основе интегральных микросхем, изготавливается в двух видах.

Один вид - это аппараты, представляющие собой отдельные органы измерительной или логической частей защиты. По аналогии с электромеханическими реле за такими органами сохранено название реле защиты. В интегральном исполнении выпускаются различные реле: тока, напряжения, направления мощности, сопротивления, а также времени.

В электроустановках из таких реле монтируют измерительную часть устройств релейной защиты. Наряду с этим логическая часть подобных устройств может выполняться как на электромагнитных реле, так и на базе логических микросхем в сочетании с контактными выходными элементами.

Другим видом изделий является комплектная аппаратура, представляющая собой набор устройств релейной защиты целого присоединения, собранных в кассеты, которые монтируются на панелях или в шкафах заводского производства.

На энергетические объекты такие панели и шкафы поставляются в полностью готовом состоянии и нуждаются только в привязке ко вторичным цепям присоединений.

В схемах реле защиты преимущественно используются операционные усилители. Логические микросхемы применяют главным образом для реле времени и в логической части комплектных панелей и шкафов релейной защиты.

 

ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

У реле защиты,содержащих операционные усилители, имеется ряд узлов, которыми не располагают электромеханические реле.

Обобщенная структурная схема статического реле защиты, в котором применены ОУ, показана на следующем рис.

Структурная схема статического реле защиты:

УП - узел питания; УИ - узел измерения; УФ - узел формирования; УС - узел сравнения (ПЧ - преобразующая часть, СС - схема сравнения, ИЧ - исполнительная часть); УВ - узел выхода.

У таких реле имеется пять основных узлов:

1. Узел измерения (УИ), содержащий измерительные преобразователи или датчики тока и напряжения, подаваемых на реле от измерительных трансформаторов тока и напряжения защищаемого объекта;

2. Узел формирования (УФ), в котором получают из поступающих входных сигналов специально сформированные напряжения переменного или выпрямленного тока, требуемые для реализации характеристики реле после их сопоставления в узле сравнения;

3. Узел сравнения (УС), служащий для дальнейшего преобразования сравниваемых напряжений в форму, удобную для сравнения, собственно сравнения и получения на выходе узла управляющего сигнала, когда результат сравнения свидетельствует о соответствии поданных на реле токов и напряжений условиям его срабатывания;

4. Узел выхода (УВ) обеспечивает действие содержащегося в нем электромеханического реле при поступлении управляющего сигнала из узла сравнения;

5. Узел питания (УП) предназначен для получения от источника оперативного тока защищаемого объекта стабилизированных напряжений постоянного тока, требующихся для работы интегральных микросхем и исполнительного выходного реле. Для каждого типа реле указывается, к какому источнику оперативного тока оно должно подключаться.

Содержащиеся в УИ измерительные преобразователи (датчики) представляют собой промежуточные трансформаторы или трансреакторы, предназначенные для отделения полупроводниковой части реле от вторичных цепей защищаемого объекта. Одновременно эти преобразователи служат для трансформации токов и напряжений. Уровень трансформированных сигналов выбирается по условиям управления операционными усилителями.

Число датчиков определяется схемой реле. В токовых реле применяют один или несколько датчиков тока, а в реле напряжения - соответствующее число датчиков напряжения.

В реле сопротивления и в реле направления мощности устанавливают как датчики тока, так и датчики напряжения.

 

ТИПЫ СЕРИЙНЫХ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

В последние годы появилось несколько типов реле защиты, основные узлы которых выполнены на операционных усилителях или логических интегральных микросхемах. Такие реле получили наименование статических. В число реле, созданных на базе ОУ, входит большая серия реле тока типа РСТ и серия реле напряжения типа РСН. Несколько раньше были внедрены в производство реле тока обратной последовательности серии РТФ и статические реле направления мощности серии РМ. Одним из наиболее сложных из освоенных статических реле является комплектное реле сопротивления типа БРЭ-2801, содержащее три однофазных дистанционных органа и предназначенное для использования в качестве измерительного органа дистанционных защит линий и трансформаторов 110-500 кВ.

Наряду с указанными имеется еще несколько типов статических реле защиты, которые либо имеют ограниченную область применения, либо не содержат операционных усилителей.

СТАТИЧЕСКИЕ РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА СЕРИЙ РСТ11-РСТ14 предназначены для использования в качестве измерительных органов токовых защит, как мгновенного действия, так и работающих с выдержкой времени любых присоединений электроустановок. Они пригодны для всех случаев, когда не требуются специальные меры по отстройке защиты от апериодических составляющих и высших гармоник, которые могут содержаться в первичных токах защищаемого объекта.

Схема реле выполнена на времяимпульсном принципе, гарантирующем хорошую помехоустойчивость реле. Принятое исполнение обеспечивает также четкую работу реле при больших кратностях тока повреждения по отношению к номинальному току трансформаторов тока, когда их погрешность может достигать 80-90%. Реле обладают повышенной сейсмостойкостью и рассчитаны для применения на объектах атомной энергетики.

РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО И МИНИМАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ входят в серии РСН 14 – РСН 17, каждая из которых имеет несколько типовых исполнений. Реле РСН 14 и РСН 15 являются реле максимального напряжения, которые реагируют на повышение напряжения в сети защищаемого объекта, а реле РСН 16 и РСН 17 представляют собой реле минимального напряжения, срабатывающие при понижении напряжения в сети.

По своему устройству реле серий РСН 14 – РСН 17 подобны реле РСТ. Различаются они лишь тем, что вместо датчика тока в них установлен датчик напряжения.

РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ входят в состав серии РСН 13. Они используются в качестве пусковых органов защит, реагирующих на несимметричные КЗ. Измерительная часть реле рассчитана на подключение к источнику трехфазного напряжения переменного тока с линейным напряжением, равным 100 В. Рабочая частота составляет 50 Гц или 60 Гц. Для питания реле оперативным током требуется источник постоянного тока напряжением 220 В.

Напряжение срабатывания обратной последовательности может устанавливаться в пределах от 6 до 24.6 В (линейных) ступенями через 0.6 В.

РЕЛЕ ТОКА ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СЕРИЙ РТФ8 И РТФ9 относятся к числу изделий на операционных усилителях, впервые освоенных на Чебоксарском электроаппаратном заводе в начале 80-х годов. Эти реле создавались для замены таких сложных комплексных реле, как РТФ 1М и РТФ 7, громоздких по размерам и неудобных в обслуживании.

Реле РТФ 8 используются в качестве пускового органа токовой защиты обратной последовательности линий и трансформаторов. Реле РТФ 9 применяются для аналогичных защит генераторов и блоков генератор-трансформатор, когда нужно осуществить несколько ступеней защиты обратной последовательности.

Реле РТФ 8 изготовляются на номинальные токи 1 и 5 А и имеют диапазон уставок по току обратной последовательности от 0.3 до 1.2 номинального. Реле РТФ 9 выпускаются на номинальные токи 1.5 и 10 А и содержат два измерительных органа, имеющих разные диапазоны уставок по току обратной последовательности.

Для первого, более грубого органа пределы составляют от 0.4 до 1.6, а для второго, чувствительного – от 0.04 до 0.16 номинального тока реле. Регулировка уставок производится ступенями по 10 %. Реле предназначено для работы на постоянном оперативном токе напряжением 220 В или 110 В. Рабочая частота реле 50 Гц или 60 Гц. При заказе помимо значения номинального тока реле нужно указывать, на какое напряжение оперативного тока и рабочую частоту должно быть исполнено реле. В качестве выходного применено электромагнитное реле типа РП 13 на 110 В с двумя замыкающими контактами.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ РЕЛЕ ТОКА СЕРИЙ РСТ 15, РСТ 16 применяются в качестве измерительных органов дифференциальной защиты понижающих трансформаторов и мощных электродвигателей. Так же как и другие реле серий РСТ, эти реле имеют сейсмостойкую конструкцию.

Реле РСТ 15, РСТ 16 обладают высокой степенью отстройки от переходных токов небаланса, возникающих при включении трансформаторов и двигателей под напряжение. Поэтому ток срабатывания дифференциальной защиты при применении этих реле можно устанавливать на уровне 0.5 номинального тока трансформатора или двигателя.

Область применения реле серий РСТ 15, РСТ 16 ограничивается объектами, для которых не требуется автоматически загрублять защиту при близких внешних КЗ, т.е. когда не требуется реле с тормозными характеристиками.

Серия реле РСТ 15 предназначена для сетей с промышленной частотой 50 Гц, а серия РСТ 16 - для сетей с частотой 60 Гц. Все реле имеют номинальных ток 5 А и рассчитаны на питание постоянным оперативным током 220 В.

РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ СЕРИЙ РМ 11, РМ 12 являются одними из первых изделий на базе микросхем, внедренных в серийное производство. Эти реле предназначены для замены индукционных реле направления мощности, выпускавшихся до настоящего времени. Индукционные реле обладают рядом принципиальных недостатков, таких как наличие самохода и вибрации контактных систем, низкая механическая устойчивость. Многократные попытки избавить реле от этих недостатков не дали весомых результатов. Поэтому вопрос создания реле направления мощности на новой базе стоял особенно остро.

БЛОК РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ БРЭ 2801 представляет собой комплектное реле, содержащее три дистанционных органа, каждый из которых имеет на выходе отдельное электромагнитное реле типа РП 13 с одной парой переключающих контактов. Такие блоки выпускаются вместо комплектов реле сопротивления типов КРС2 и КРС3. Как и эти реле, блок БРЭ 2801 может использоваться в качестве пускового или измерительного органа дистанционной защиты линий и трансформаторов напряжением 110 кВ и выше.

Реле КРС2 и КРС3 обладают значительными размерами, имеют весьма сложную конструкцию; потребляют довольно большую мощность от измерительных трансформаторов тока и напряжения и могут неправильно работать при нарушениях в цепях напряжения и тока. Благодаря тому что схема блока БРЭ 2801 собрана на ОУ, его габариты и потребление получились меньшими, а возможность неправильного действия при различных нарушениях в цепях резко сократилась.

ТЕХНИКА ОБСЛУЖИВАНИЯ АППАРАТУРЫ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

НАЛАДКА СТАТИЧЕСКИХ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ несколько отличается по объему от наладки электромеханических реле и имеет свои особенности.

Обычно применяется следующая последовательность работ при наладке статических реле защиты:

1) внешний осмотр и проверка состояния монтажа;

2) механическая регулировка реле и переключателей;

3) измерение сопротивления изоляции;

4) проверка питания реле оперативным током;

5) измерение напряжений постоянного тока в контрольных точках;

6) проверка напряжений (токов) срабатывания электромагнитных реле и герконов;

7) проверка датчиков тока и напряжения;

8) снятие электрических характеристик реле;

9) проверка реле рабочим током и напряжением.

14 ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Для удобства измерения тока в установках высокого напряжения и изоляции измерительных приборов и устройств релейной защиты от высокого напряжения служат трансформаторы тока (ТТ). ТТ имеет замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Они (ТТ) выполняются как для внутренней, так и для внешней установки на всю шкалу токов и напряжений. Через первичную обмотку пропускается измеряемый ток, вторичная обмотка подключается к измерительным приборам и реле. Первичная обмотка изолирована от вторичной в соответствии с классом изоляции аппарата.

Для безопасности работы в случае повреждения изоляции между первичной и вторичной обмотками вторичная обмотка должна быть обязательно заземлена.

Схема включения ТТ

Первичная обмотка 1 включена последовательно в измеряемую цель. Ток в этой обмотке и есть измеряемый ток.

 

Основными параметрами ТТ являются следующие:

— номинальное напряжение – линейное напряжение энергосистемы, в которой ТТ должен работать. Это напряжение определяет изоляцию между первичной обмоткой, находящейся под высоким потенциалом, и вторичной, один конец которой заземлен;

— номинальный первичный и вторичный токи – это длительные токи, которые аппарат может пропускать не перегреваясь. ТТ обычно имеют запас по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20 % выше номинального значения. Номинальный ток вторичной обмотки стандартизован и может быть равен 1 А или 5 А;

— номинальный коэффициент трансформации – отношение номинальных значений первичного и вторичного токов

Реальный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие погрешности, вызываемой потерями в трансформаторе. Различают токовую погрешность и угловую.

— токовая погрешность в процентах определяется выражением:

.

В зависимости от значения токовой погрешности различают классы точности: 0.2; 0.5; 1; 3; 5; 10.

Класс точности трансформатора определяется его погрешностью по току в процентах при первичном токе, равном (100-120) % .

Погрешность по углу измеряется в минутах. В идеальном трансформаторе вторичный ток сдвинут по фазе относительно первичного на 180⁰. В реальном трансформаторе этот угол отличается от 180⁰. Если вторичный ток опережает первичный, то погрешность по углу положительная;

— номинальная нагрузка ТТ – это сопротивление нагрузки в омах , при котором он работает с заданным классом точности при номинальном значении . Иногда применяется понятие номинальной мощности:

.

Поскольку значение тока стандартизовано, то номинальное сопротивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощность трансформатора;

— номинальная предельная кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой полная погрешность достигает 5 или 10 %. Соответственно ТТ имеют класс точности 5Р и 10Р. Нагрузка и её коэффициент мощности должны быть номинальными (коэффициент мощности 0,8);

— максимальная кратность вторичного тока – отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока;

— динамическая стойкость ТТ (кратность) определяется отношением допустимого сквозного тока короткого замыкания, выдерживаемого трансформатором без механических повреждений, к амплитуде номинального первичного тока;

— термическая стойкость – отношение предельно допустимого тока, который трансформатор может выдерживать без повреждений в течение 1 сек, к номинальному первичному току при номинальной вторичной нагрузке и температуре окружающего воздуха +35⁰С.

Для уменьшения значения коэффициента трансформации и увеличения мощности нагрузки два ТТ могут быть включены параллельно.

 

Проверка правильности соединения двух ТТ (согласное или встречное) осуществляется при помощи амперметров.

 

 

В большинстве схем релейных защит ТТ включаются на токи разных фаз в трехфазной сети.

Конструкции ТТ весьма разнообразны. При этом все они состоят из замкнутого магнитопровода с соответствующими обмотками и корпуса. Магнитопровод может быть прямоугольный шихтованный или тороидальный, навитый из ленты. Трансформатор может иметь несколько магнитопроводов. Вторичные обмотки всегда многовитковые. Первичная обмотка может быть многовитковой обычно на токи до 400 А или одновитковой на токи от 600 А и выше. В последнем случае витком служит шина или стержень, проходящие через окно магнитопровода.

Обмотки могут выполняться из изолированного или голого медного провода. Для напряжений до 35кВ широкое распространение получила изоляция первичной обмотки от вторичной и от заземленных деталей литым компаундом на основе эпоксидной смолы. Литой изоляционный корпус защищает первичную и вторичную обмотки от возможных механических повреждений и проникновения влаги. На напряжение 35 кВ и выше для открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией.

ТРАНСФОРМАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Трансформаторы напряжения (ТН) служат для преобразования высокого напряжения в низкое стандартное напряжение, удобное для измерения. Обычно за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение или . Это позволяет для измерения любого высокого напряжения применять одни и те же измерительные приборы. Реле защиты также выпускаются на те же стандартные напряжения независимо от номинального напряжения защищаемой установки.

Первичная обмотка ТН изолируется от вторичной соответственно классу напряжения установки. Для безопасности обслуживания один вывод вторичной обмотки заземляется. Таким образом, ТН изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание.

Основными параметрами ТН является:

–– номинальное напряжение обмоток – рабочее напряжение, на которое рассчитаны обмотки (указывается на щитке). При этом номинальным напряжением трансформатора считается напряжение первичной обмотки;

— номинальный коэффициент трансформации – отношение номинального первичного напряжения к номинальному вторичному

;

— погрешность по напряжению и по углу в процентах и класс точности (аналогично рассматриваемым выше для ТТ)

;

— номинальная мощность – мощность, которой трансформатор может быть нагружен в пределах класса точности .

ТН имеют одну обмотку высокого напряжения и одну или две (основную и дополнительную) обмотки низкого напряжения ТН могут выполняться сухими (на напряжение до 10 кВ и для внутренней установки) или масляными (на более высокие напряжения и для наружной установки).

 

16 РАЗЬЕДИНИТЕЛИ, ОТДЕЛИТЕЛИ И КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ

Разъединители – аппараты, которые предназначены для включения и отключения участков электрических цепей под напряжением при отсутствии нагрузочного тока. Они применяются во всех высоковольтных установках для обеспечения видимого разрыва при отключении какого-либо участка цепи, а также для производства переключений и набора нужной схемы. Все операции с разъединителями, как правило, выполняются при обесточенных цепях.

Строятся разъединители, как для внутренней, так и для наружной установки на всю шкалу токов и напряжений.

К разъединителям предъявляются следующие требования:

1. Контактная система должна надежно пропускать номинальный ток сколько угодно длительное время. В особо тяжелых условиях работают разъединители наружных установок, подвергающиеся воздействию воды, пыли, льда. Контактная система должна иметь необходимую динамическую и термическую стойкость.

2. Разъединитель и механизм его привода должны надежно удерживаться во включенном положении при протекании тока К3. В отключенном положении подвижный контакт должен быть надежно фиксирован, так как самопроизвольное включение может привести к очень тяжелым авариям и человеческим жертвам.

3. В связи с особой ролью разъединителя как аппарата безопасности промежуток между разомкнутыми контактами должен иметь повышенную электрическую прочность.

4. Привод разъединителя целесообразно блокировать с выключателем. Операции с разъединителем должны быть возможны, только когда выключатель отключен.

Разъединители могут выполняться как трехполюсными на общей раме, обычно до 35 кВ, так и однополюсными при более высоких напряжениях. Последнее обусловлено тем, что при напряжениях свыше 35 кВ требуемые расстояния между фазами достаточно велики и общая рама становится чрезвычайно громоздкой и тяжелой.

Полюс разъединителя независимо от разнообразия конструкций состоит из неподвижного и подвижного (ножа) контактов, укрепленных на соответствующих изоляторах опорной плиты или рамы и привода.

Основным элементом разъединителя являются его контакты. (Как мы уже говорили, они должны надежно работать при номинальном режиме, а также при перегрузках и сквозных токах короткого замыкания.). Нагрев, динамическая и термическая стойкость, а также электрическая и механическая прочность изоляции являются основными вопросами расчета и конструирования разъединителей. В разъединителях применяют высокие контактные нажатия. При больших токах контакты выполняют из нескольких (до восьми) параллельных пластин. Применяют пластины прямоугольного, швеллерного и круглого сечений.

Разъединители снабжаются ручным, электродвигательным либо пневматическим приводом. Разъединители на малые токи при напряжениях до 35 кВ могут управляться вручную изоляционной штангой.

Наибольшее распространение при токах до 3000 А включительно получил ручной рычажный привод. При номинальном токе свыше 3000 А – ручной червячный привод. Электродвигательные и пневматические приводы используются для управления тяжелыми разъединителями, когда ручное управление затруднено или невозможно, а также при дистанционном и автоматизированном управлении.

 

ОТДЕЛИТЕЛИ И КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ

В настоящее время применяются 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 – это аппарат, который предназначен осуществлять под действием защиты быстрое автоматическое отключение поврежденных участков электрической цепи в момент отсутствия в ней тока, т.е. в период бестоковой паузы АПВ, создаваемой выключателем, установленным на питающем конце линии (процесс отключения длится 0,5 – 1 сек.).

В качестве примера применения короткозамыкателей и отделителей рассмотрим схему питания от одной линии двух трансформаторных групп Т₁ и Т₂

В схему кроме быстродействующих короткозамыкателей QK1 и QK2, введены отделители Q1 и Q2, которые при номинальном режиме работы замкнуты.

Допустим по сигналу от реле трансформатора 1, в следствии какой-то неисправности, включается короткозамыкатель и в цепи возникает искусственное КЗ. Под действием тока КЗ срабатывает выключатель защиты QF1 и обе группы Т1 и Т2 обесточиваются. С помощью релейной защиты трансформатора Т1 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 QF4 был отключен, то после включения QF1 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. Эффективность такой схемы тем выше, чем больше номинальное напряжение сети.