Основное электрооборудование подстанций

 

Основным электрооборудованием подстанций являются: силовые трансформаторы, коммутационные аппараты, разъединители, изоляторы и шины распределительных устройств, измерительные трансформаторы

 

1. Силовые трансформаторы. Общие сведения о трансформаторах (назначение, основные номинальные данные, перегрузочная способность и т.д.) рассмотрены в § 4.3 данного конспекта.

Рассмотрим условия выбора мощности силовых трансформаторов (ГПП и цеховых):

- выбор трансформаторов ГПП производится по полной расчетной нагрузке S_р проектируемого объекта. На главной понизительной подстанции объекта устанавливают два трансформатора. В соответствии с существующей практикой проектирования мощность каждого трансформаторов на ГПП выбирают из условия его допустимой загрузки в нормальном режиме в пределах 65-70 % (коэффициент загрузки К_{з норм} = 0,65-0,70), т.е. по условию

 

, (7.1)

 

где S_{ном. т} – номинальная мощность трансформатора, принимаемая по справочным данным в соответствии с (7.1).

В послеаварийном режиме коэффициент перегрузки трансформаторов не должен превышать величины 1,4.

. (7.2)

- выбор мощности цехового трансформатора производится по активной расчетной нагрузке

, (7.3)

 

где N – количество трансформаторов;

– коэффициент загрузки трансформатора, принимаемый в зависимости от числа трансформаторов.

 

2. Коммутационные аппараты:

Выключатели напряжением выше 1000В (силовые выключатели).1.Выключатель – это коммутационный аппарат автоматического действия, предназначенный для коммутации (включения и отключения) рабочих и аварийных токов. Основные требования, предъявляемые к выключателю:

- надежное отключение любых токов: номинальных, рабочих, аварийных, индуктивных токов ненагруженных трансформаторов, емкостных токов, токов холостых линий электропередач;

- высокое быстродействие, пригодность для быстродействующего повторного включения (АПВ).

Кроме того, выключатель должен длительно работать при номинальном токе и напряжении, а также выдерживать кратковременные термические и динамические воздействия сквозных токов короткого замыкания, быть взрыво- и пожаробезопасным.

Конструкция выключателя должна обеспечивать удобство транспортировки и эксплуатации, легкость ревизии и осмотра контактов. Желательно, чтобы размеры выключателя были по возможности невелики, что способствует уменьшению площади, занимаемой распределительным устройством.

Выключатели, удовлетворяющие перечисленным выше требованиям, принято называть силовыми выключателями в отличие от выключателей нагрузки, предназначенных для отключения цепей только в нормальных режимах, но не при коротких замыканиях.

При отключении выключателем электрической цепи со значительными токами между размыкающимися контактами выключателя загорается дуга, которая должна гаситься в специальных устройствах. Поэтому при конструировании выключателей применяют различные способы и устройства для быстрого гашения дуги.

Гашение дуги в выключателях происходит наиболее эффектно при применении специальных дугогасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию дутья сквозь дуговой столб.

Ускорению процессов гашения дуги способствует выбор среды, в которой она горит. Охарактеризуем кратко различные среды, используемые в силовых выключателях:

- сжатый воздух с давлением 2 – 4 МПа (воздушные выключатели). Увеличение давления вызывает рост электрической прочности воздуха, что способствует ускорению гашения дуги;

- низкое давление воздуха (вакуум Па; вакуумные выключатели). В этом случае, при прохождении тока через нуль, из-за больших длин свободного пробега молекул, ионизирующих столкновений не происходит. Поэтому восстановление электрической прочности разрядного промежутка идет очень быстро;

- элегаз (шестифтористая сера, ; элегазовые выключатели). Это инертный газ с электрической прочностью в 2-3 раза выше прочности воздуха;

- жидкая среда-масло, генерирующая газы при горении дуги (масляные выключатели). При испарении 1 г масла образуется около 1500 см³ газа, который состоит из паров масла (до 50% по объему), водорода и углеродов различного состава. Водород обладает большой теплопроводностью, а, следовательно, высокой охлаждающей способностью и высокой электрической прочностью. Кроме того, успешному гашению дуги способствует высокое давление (до Па), создающееся в газовом пузыре.

Краткая характеристика некоторых видов выключателей.

Воздушные выключатели (ВВ) являются основными коммутационными аппаратами в установках выше 220 кВ, а наряду с другими видами выключателей применяется и на более низкие напряжения: 220 кВ, 110 кВ, 35 кВ, а также в распределительных сетях 6-20 кВ.

Принцип действия дугогасительного устройства ВВ заключается в том, что дуга, образующаяся между контактами, подвергается интенсивному охлаждению потоком сжатого воздуха, вытекающего в атмосферу. Используется камеры с продольным дутьем (рис. 7.8, а) и поперечным дутьем (рисунок 7.8, б).

Камеры продольного дутья имеют преимущественное распространение во всем диапазоне напряжений от 6 до 750 кВ, на которые строятся выключатели, так как они позволяют создать аппарат, отвечающий всем требованиям по номинальной мощности отключения, номинальному току и быстродействию.

Рис.7.8. Схемы дугогасительных устройств с воздушным дутьем:

(а- продольное дутье, б- поперечное дутье)

1 – контакты, 2 – изоляционный корпус, 3 – дуга, 4 – сопло

 

Камера представляет собой сопло (4), при включенном положении закрываемое подвижным контактом с наконечником (1). При отключении подвижный контакт отходит, в камеру подается сжатый воздух, который выбрасывается через сопло и выдувает дугу (3) наружу. Восстановление электрической прочности дугового промежутка протекает со скоростью , и наступает через 10-15 мкс после момента нулевого значения тока.

Камеры поперечного дутья из-за более громоздкой конструкции и больших габаритов применяются ограниченно, только в выключателях 6-20 кВ. При использовании такой камеры наблюдается быстрый рост мощности отключения ВВ при росте давления подаваемого воздуха. Вместе с этим увеличивается и расход воздуха.

Элегазовые выключатели. В целях дальнейшего увеличения отключающей способности выключателей и уменьшения их размеров вместо сжатого воздуха в выключателях применяют элегаз (электрический газ). Плотность элегаза превышает плотность воздуха в 5 раз, а электрическая прочность элегаза в 2-3 раза выше прочности воздуха. При давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза сравнивается с прочностью масла. В элегазе может быть погашена дуга с током в 100 раз превышающим ток, который можно отключить в воздухе при тех же условиях.

Конструкция выключателя представляет собой бак, в котором размещено дугогасительное устройство Разрез устройства показан на рис. 7.9.

 

Рис.7.9. Принципиальная схема дугогасительного устройства элегазового

выключателя с автоматическим дутьем

 

Контакт 1 и поршень 6 камеры остаются неподвижны. Сопло 3, цилиндр 5, перегородка 4 и контакт 2 при отключении перемещаются вправо, при включении – влево. При отключении выключателя между неподвижным и подвижным контактами загорается дуга. Через сопло, изготовленное из фторопласта (дугостойкого изоляционного материала) поток элегаза продольно омывает дугу и гасит ее: чем дальше подвижные элементы уходят вправо, тем сильнее сжимается газ между перегородкой и поршнем, тем более мощный поток воздействует на дугу.

Вакуумные выключатели. Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз больше, чем воздушного промежутка при атмосферном давлении. Вакуумные выключатели обеспечивают быстрое гашение дуги и имеют высокое быстродействие . Отсутствие дугогасящей среды значительно упрощает конструкцию выключателя, обеспечивает высокую надежность при эксплуатации в широком диапазоне температур , полную пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие загрязнения окружающей среды.

Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют никакой дополнительной среды, что является большим преимуществом их перед другими типами выключателей. Область применения электромагнитных выключателей ограничивается напряжением 6-15 кВ; выключатели предназначены для работы в закрытых помещениях.

Действие выключателя основано не на газовом дутье. Дуга, образующаяся на контактах, втягивается магнитным полем в дугогасительную камеру, т.е. используется принцип магнитного дутья. Катушку дугогасительного устройства располагают таким образом, чтобы ее магнитный поток был направлен перпендикулярно дуге и создавал условия для перемещения дуги в камеру. Последняя состоит из ряда керамических пластин, создающих узкие щели-каналы, по которым перемещается зигзагообразная дуга. Длина дуги при этом значительно увеличивается (до 1-2 м), а сечение дуги в узких щелях-контактах вынуждено уменьшается. Дуга приходит в тесное соприкосновение с холодными поверхностями пластин, обладающих высокой теплопроводностью, что обусловливает ее эффективное охлаждение и уменьшение длительности существования дуги. Этому же способствует повышение давления в каналах и высокая скорость движения дуги в магнитном поле.

Масляные выключатели делятся на две большие группы: баковые и маломасляные. В баковых масляных выключателях масло является изолирующей и газогенерирующей средой. В маломасляных выключателях масло служит только для гашения дуги, а изолирование токоведущих частей от земли и между собой производится с помощью твердых диэлектриков.

Устройство и принцип действия маломасляного выключателя подробно рассмотрены в методических указаниях к выполнению лабораторной работы № 1. Там же приведена дополнительная информация по другим типам выключателей и приводов выключателей.

Привод служит для включения выключателя, удержания его во включенном положении и отключения. Привод выключателя должен обеспечить необходимую надежность работы, осуществлять дистанционное управление выключателем при требуемом быстродействии, иметь малые размеры, потреблять небольшое количество электроэнергии.

В зависимости от источника энергии различают ручные, пружинные, электромагнитные и др. приводы.

Выбор высоковольтных выключателей.Они выбираются по номинальному току и номинальному напряжению, конструктивному исполнению, месту установки (открытая или закрытая установка) и другим параметрам, приведенным ниже. Выбор производится путем сравнения каталожных (паспортных) данных с расчетными данными. Условия выбора выключателей:

 

U_ном.у ≤ U_ном.ап , (7.4)

 

I_р ≤ I_ном.ап, (7.5)

 

I_p.max ≤ к_п · I_ном.ап, (7.6)

 

I_п.0,2 ≤ I_{ном.откл}, (7.7)

 

ί_уд ≤ ί_скв.max, (7.8)

_, (7.9)

где U_ном.у – номинальное напряжение установки, кВ;

U_ном.ап – номинальное напряжение аппарата (выключателя) кВ;

I_р – расчетный ток в нормальном режиме, А

I_p.max – максимальный расчетный ток выключателя (ток послеаварийного режима), А;

к_п – коэффициент перегрузки, равный 1,25;

I_п.0,2 – периодическая составляющая тока короткого замыкания момент времени 0,2 с, кА;

I_{ном.откл} – номинальный ток отключения выключателя, кА;

ί_уд – амплитуда ударного тока короткого замыкания, кА;

ί_скв.max – амплитуда максимального допустимого тока, характеризующего электродинамическую стойкость аппарата, кА;

I_∞ – установившееся значение тока короткого замыкания в цепи выбираемого аппарата, кА;

t_ф – время действия тока короткого замыкания, определяемое по формуле t_ф = t_фп + t_фа;

t_фп – время для периодической составляющей тока короткого замыкания, с, определяется по справочным кривым t_фп = f(t; β^”);

t_фа = 0,05 β^” – время для апериодической составляющей тока короткого замыкания, где β^" = I_п0 / I_п∞;

I_t – номинальный ток термической стойкости, который аппарат может выдержать без повреждения в течении времени t (паспортные данные аппарата) кА;

t = t_з + t_откл – время действия защиты, которое состоит из времени срабатывания защиты, t_з, с, и собственного времени отключения выключателя

t_откл, с.

Выключатели нагрузки. В установках напряжением 6 – 10 кВ, особенно в распределительных пунктах, на цеховых подстанциях предприятий широко используются выключатели нагрузки. Выключатели нагрузки (ВН) являются коммутационными аппаратами для отключения и включения цепей под нагрузкой, но не рассчитаны на отключение токов короткого замыкания.

Выключатели нагрузки в сочетании в комплекте с высоковольтными предохранителями (ВНП) обеспечивают защиту цепей от токов короткого замыкания. Выключатели нагрузки выполняются на номинальные токи 200 и 400 А, наибольший рабочий ток отключения составляет 400 800 А.

 

3. Высоковольтные предохранители. Плавкие предохранители напряжением выше 1000 В применяют для защиты маломощных линий, силовых цеховых трансформаторов и измерительных трансформаторов напряжения от токов коротких замыканий и перегрузок.

Наибольшее распространение получили кварцевые предохранители с кварцевым заполнением, которые выпускают двух видов: ПКТ – для защиты силовых трансформаторов и ПКН – для защиты измерительных трансформаторов напряжения. Общий вид и разрез патрона предохранителя типа ПК на напряжение 10 кВ показан на рис. 7.10.

 

 

Рис. 7.10. Высоковольтный предохранитель типа ПК

 

Патрон предохранителя вставляется латунными колпачками 1 в пружинящие контакты 3, укрепленные на фарфоровых изоляторах 4 (рис. 7.10, а). Конструктивно высоковольтный предохранитель представляет собой полую фарфоровую трубку (патрон) 2 с армированными по концам латунными колпачками 1. Внутри трубки установлены плавкие вставки 5,6, с напаянными на них шариками из олова, обеспечивающие снижение температуры перегрева элементов предохранителя при малых токах перегрузки. Плавкие вставки припаяны к латунным колпачкам. Патрон заполняется кварцевым песком (на рисунке не показано), что обеспечивает быстрое дугогашение при сгорании плавкой вставки. В патроне размещена также стальная пружина 7, соединенная якорем с указателем срабатывания 8. В момент срабатывания предохранителя эта пружина перегорает и освобождает указатель, выталкиваемый вниз специальной пружиной. По положению указателя можно судить об исправности предохранителя.

Высоковольтные предохранители выбирают по конструктивному исполнению, номинальным напряжению и току, предельным отключаемым током I_откл и мощности отключения S_откл.

Условия стойкости высоковольтных предохранителей к токам КЗ выполняются, если I_откл ≥ I^' или S_откл ≥ S_расч. Ток I_откл и мощность S_откл выбирают по каталогу.

 

4. Разъединители. Разъединителем называется электрический аппарат для оперативного переключения (включения и отключения) участков сети и оборудования, находящихся под напряжением при отсутствии нагрузки. Кроме того, для безопасности ремонта линии и электрооборудования разъединителем создается видимый разрыв цепи.

Правилами устройства электроустановок допускается отключать разъединителями холостой ход трансформаторов, токи замыкания на землю. Разъединители не имеют устройства для гашения дуги, поэтому не допускают производства переключений под нагрузкой.

Разъединители выбирают по номинальному току и напряжению, по конструктивному выполнению с проверкой на динамическую и термическую стойкость. Путем сравнения расчетных и каталожных данных (как и силовые выключатели). Разъединители не предназначены для отключения токов КЗ, поэтому по отключаемой способности их не проверяют.

 

5. Коммутационные аппараты напряжением до 1000 В.Плавкие предохранители служат для автоматического размыкания электрической цепи при КЗ и токах перегрузки.

По конструктивному исполнению предохранители подразделяются на две группы:

- с наполнителем (например, предохранители типа ПН-2, НПН), наполненные мелкозернистым кварцевым песком;

- без наполнителя (например, ПР-2).

Основным рабочим элементом предохранителя является плавкая вставка, укрепленная в корпусе предохранителя. Предохранитель и плавкую вставку характеризуют следующими параметрами: номинальным напряжением, номинальным током предохранителя, номинальным током плавкой вставки, защитной характеристикой.

Наибольший ток, на который рассчитаны токоведущие предохранителя (патрон, контактные стойки) называют номинальным током предохранителя. Номинальный ток предохранителя равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных к установке в данном предохранителе.

Номинальный ток плавкой вставки – это наибольший ток, который она выдерживает не расплавляясь.

Плавкие предохранители делят на инерционные – с большой тепловой инерцией (т.е. со способностью выдерживать значительные кратковременные перегрузки током) и безынерционные – с малой тепловой инерцией (с ограниченной способностью к перегрузкам).

Кривая зависимости времени перегорания плавкой вставки предохранителя от тока называется защитной иливремя-токовойхарактеристикой.

Плавкие вставки с малой тепловой отдачей изготавливают из металлов с высокой электропроводностью и малой теплоемкостью (медь, серебро). Они осуществляют быстродействующую защиту. Плавкие вставки с большой тепловой инерцией изготовляют из металлов с большим удельным сопротивлением (свинец и его сплавы). Предохранители с такими вставками не осуществляют быстродействующую защиту, но выдерживают значительные кратковременные токовые нагрузки.

Плавкие вставки предохранителей выбирают с учетом двух условий:

- плавкая вставка не должна отключать длительный ток нагрузки

 

I_п.в ≥ I_р; (7.10)

 

- вставка не должна перегорать при кратковременных пиковых нагрузках, связанных с пусковыми токами электроприемников (двигателей)

I_п.в ≥ , (7.11)

 

где I_р –длительный (расчетный) ток нагрузки;

I_пик – пиковый ток линии, питающий группу ЭП (I_пик = I_пуск для одного двигателя);

k – пусковой коэффициент, принимаемый k = 2,5 – для двигателей с легким пуском, k = 1,6 - 2 – для двигателей с тяжелыми условиями пуска.

Основные типы предохранителей имеют номинальные токи от 15 до 1000 А, т.е. практически они удовлетворяют почти все электроустановки (за исключением специальных) промышленных предприятий.

Автоматический выключатель (автомат) предназначен для автоматического размыкания электрической цепи при перегрузках, коротких замыканиях, а также для редких отключений и включений. Таким образом, автоматические выключатели совмещают в себе одновременно функции защиты и управления.

Для выполнения защитных функций автоматы снабжаются либо только тепловыми, либо только электромагнитными, либо комбинированными расцепителями (тепловыми и электромагнитными). Действие тепловых расцепителей автоматов основано на использовании нагрева биметаллической пластинки, изготовленной из спая двух металлов. При токе, превышающим ток, на который выбраны пластины, одна из пластин при нагреве удлиняется больше, в результате чего воздействует на отключающий пружинный механизм автомата. Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, который воздействует на отключающий пружинный механизм.

Тепловой расцепитель срабатывает с выдержкой времени от токов перегрузки в результате теплового действия тока, проходящего через его нагревательный элемент (биметаллические пластинки), и таким образом осуществляет защиту от токов перегрузки. Настройку расцепителя на заданный ток срабатывания называют уставкой тока.

Электромагнитный расцепитель срабатывает мгновенно при больших токах (ТКЗ), т.е. защищает от токов короткого замыкания. Установку тока электромагнитного расцепителя на мгновенное срабатывание называют отсечкой. Электромагнитные расцепители не реагируют на токи перегрузки, если эти токи меньше уставки срабатывания.

При выборе автоматов должны соблюдаться следующие условия:

- номинальный ток автомата не должен быть меньше расчетного тока

 

I_н.а ≥ I_р; (7.12)

 

- уставка тока мгновенного срабатывания (отсечки) электромагнитного или комбинированного расцепителя, I_у.э, принимается по пиковому току линии или по пусковому току электроприемника из условия

 

I_у.э ≥ (1,25 – 1,5) I_п; (7.13)

- для тепловых расцепителей с регулируемой обратнозависимой от тока характеристикой должно соблюдаться условие

I_у.т ≥ 1,6 I_р. (7.14)

В электрических сетях промышленных предприятий широко используют автоматы различных серий А37, АЕ, ЭВМ. Технические данные автоматов приводятся в справочной литературе.