При работе городской распределительной сети возникают повреждения различных ее элементов, что приводит к нарушению нормального режима электроснабжения потребителей.
Наиболее опасный вид повреждения – короткие замыкания (к. з.), возникающие из-за нарушения изоляции сети и оборудования. В месте к. з. появляется электрическая дуга. По элементам сети к месту к. з. протекают большие токи, которые могут вызвать недопустимый перегрев неповрежденного оборудования и даже его разрушение. Чтобы защитить неповрежденные элементы сети от разрушения при возникновении в сети к. з. или режима перегрузки, используются различные защитные устройства. Простейшим устройством для защиты элементов сети напряжением до 1000 В являются плавкие предохранители. Их используют для защиты отдельных элементов сетей выше 1000 В.
Основной элемент предохранителя – плавкая вставка. Когда электрический ток протекает по вставке, в ней выделяется тепло, которое ее разогревает. Количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока. При коротком замыкании в сети протекает ток значительно больше номинального тока вставки, поэтому она перегорает, цепь тока разрывается и поврежденный элемент отсоединяется от сети.
К конструкции предохранителей предъявляется ряд требований. В частности, перегорание плавкой вставки должно происходить раньше, чем защищаемому элементу установки начнет угрожать опасность повреждения из-за чрезмерного нагрева; разрыв цепи тока должен осуществляться ближайшим к месту повреждения предохранителем; разрыв цепи тока плавкой вставкой не должен стать очагом повреждения и быть опасным для обслуживающего персонала. Полное время отключения цепи тока плавкой вставкой складывается из времени ее нагревания до температуры плавления, времени расплавления вставки и горения электрической дуги. Это время определяется конструктивными особенностями предохранителя.
Номинальный ток Iном плавкой вставки определяется условиями ее калибровки и маркируется на ней заводом-изготовителем. Согласно действующим требованиям, калибровка вставок производится по максимальному и минимальному испытательным токам. При максимальном испытательном токе, равном 1,6 Iном, вставка должна перегореть менее чем через 1 ч. При минимальном токе, равном 1,3 Iном, плавкая вставка не должна перегорать в течение 1 ч. Номинальным током предохранителя называется наибольший длительный ток, на который рассчитаны его токоведущие части. Номинальный ток плавкой вставки может не соответствовать номинальному тока предохранителя. Он всегда меньше или равен последнему.
Предохранители устанавливаются для защиты отдельного элемента или группы элементов сети. В результате при протекании тока оказываются включенными последовательно предохранители с плавкими вставками, имеющими различные номинальные токи. При возникновении в сети к. з. или перегрузки должны перегорать вставки, расположенные ближе к месту повреждения, с тем чтобы отключался только поврежденный элемент сети. Этим обеспечивается бесперебойность работы остальных элементов. Такое действие, когда перегорает плавкая вставка ближайшего к месту повреждения предохранителя, называется избирательным (селективным).
В режиме перегрузки может возникнуть длительное протекание через плавкую вставку тока несколько большего, чем номинальный, что приводит к нагреву вставки до 700 – 900 °С, в результате нагрева может произойти нарушение контактной системы, а у предохранителей закрытого типа – разрушение патрона, в котором находится плавкая вставка. Разрушение патрона представляет опасность для обслуживающего персонала. Для избежания этого в предохранителях используется явление так называемого металлургического эффекта.
С этой целью посредине плавкой вставки напаивается шарик из легкоплавкого металла, обычно из олова. При определенной температуре олово способно растворять в себе медь. Поэтому, когда вставка нагревается до температуры плавления олова, которая значительно ниже температуры плавления меди, происходит одновременно плавление олова и растворение в нем меди.
Медная вставка в месте размещения шарика быстро перегорает при относительно малом нагреве предохранителя и его контактов. Для создания более надежных условий работы предохранителя и усиления металлургического эффекта в современных предохранителях плавкая вставка выполняется из нескольких тонких пластин или проволок малого диаметра. В результате полностью исключаются перегрев и разрушение предохранителя при перегорании плавкой вставки. При протекании токов короткого замыкания нагрев плавкой вставки происходит очень быстро и действие металлургического эффекта не проявляется. Практически разогрев и плавление вставки происходят без отдачи тепла контактам и патрону предохранителя.
В распределительных сетях 0,38 кВ основное применение находят закрытые предохранители типа ПН-2 (предохранители насыпные). Они предназначены для защиты элементов сетей от токов к. з. и недопустимых длительных токовых перегрузок. Предохранители имеют закрытый разборный патрон и выпускаются пяти габаритов на номинальные токи от 100 до 1000 А. Характеристики предохранителей ПН-2 указаны в табл. 2. Значение предельного отключаемого предохранителем тока (при напряжении до 500 В и cosφ ≥ 0,2) есть эффективное значение протекающего в первый период по цепи тока при накоротко зашунтированном предохранителе. Предельные токи отключаются предохранителем надежно, без звуковых эффектов, без выброса пламени и дыма. Предохранители на 100 и 250 А при отключении тока 5000 А и выше работают как токоограничивающие. Последнее означает, что они отключают цепь в течение первой четверти периода, до того как ток короткого замыкания достигает своего амплитудного значения.
Таблица 2. Характеристики предохранителей ПН-2
| Номинальный ток, А | Предельный ток отключения. |
| предохранителя | плавкой вставки |
| | 30, 40, 50, 60, 80, 100 80, 100, 120, 150, 200, 250 200, 250, 300, 350, 400 300, 400, 500, 600 500, 600, 750, 800, 1000 | |
Конструкция предохранителя ПН-2 на 400 А показана на рис.3. Предохранитель состоит из патрона 3 и двух контактных стоек 1 с выводами для присоединения. Патрон смонтирован с использованием квадратной снаружи и круглой внутри фарфоровой трубки 6. Трубка с торцов закрыта крышками 4, к которым пиитами крепится плавкая вставка 8.
Рис.3- Предохранитель насыпной ПН
-2
Предохранители высокого напряжения
В распределительных сетях 6 – 10 кВ широко применяют плавкие предохранители типа ПК (предохранитель кварцевый). Они используются для защиты силовых трансформаторов, трансформаторов напряжения и линий, а также в различных автоматических устройствах.
Предохранители ПК служат для защиты силовых цепей и имеют отключающую способность свыше 200 МВА. Предохранители ПКТ используются только для защиты трансформаторов напряжения. Оба типа предохранителей предназначены для внутренней установки в непожароопасных, непыльных и не сырых помещениях, при отсутствии сильных вибраций здания.
При выпуске с завода предохранители маркируются по типу, напряжению и номинальному току. Например, марка ПК-10-75 означает предохранитель с кварцевым заполнением на номинальное напряжение 10 кВ и номинальный ток 75 А. Предохранители для защиты трансформаторов напряжения маркируют. Только по типу и напряжению. Например, марка ПКТ-10 означает предохранитель с кварцевым заполнением для защиты трансформатора напряжения 10 кВ.
Предохранители ПК можно применять только в сетях с номинальным напряжением, соответствующим номинальному напряжению предохранителя. Предохранители, маркированные на напряжение 6 кВ, нельзя использовать в сети напряжением 10 кВ и наоборот. Это обстоятельство определяется конструктивными особенностями плавких вставок, которые имеют различную длину в зависимости от номинального напряжения предохранителя. При использовании предохранителей 6 кВ в сети 10 кВ может наблюдаться отказ в гашении электрической дуги вследствие недостаточной длины плавкой вставки.
Шкала номинальных токов плавких вставок предохранителей типа ПК содержит токи 2 – 3 – 5 – 7 и 5 – 10 – 15 – 20 – 30 – 40 – 50 – 75 – 100 – 200 – 300 А. Наибольшие номинальные токи патронов предохранителей напряжением 10 кВ составляют 30 – 50 – 100 – 200 А.
Рис.4 - Патрон предохранителя ПК
1 – крышка; 2 – кварцевый песок; 3 – плавкая вставка; 4 – фарфоровая трубка; 5 – указатель срабатывания
Предохранитель с кварцевым заполнением состоит из двух опорных изоляторов, контактов, укрепленных на изоляторах, и патрона, вставляемого в контакты. Разрез патрона предохранителя ПК-6-10 кВ для номинальных токов выше 7,5 А дан на рис.4. Фарфоровый кожух заполнен чистым кварцевым песком. Внутри кожуха находится плавкая вставка, изготовленная из одной или нескольких медных посеребрённых проволок. Каждая проволока имеет ступени различных диаметров. Плавкие вставки для предохранителей ПК на токи до 7,5 А и предохранителей ПКТ наматываются на ребристый керамический сердечник; для ПК на токи выше 7,5 А вставки имеют вид спиралей, помещенных непосредственно в кожух. В месте скрутки проволок разных диаметров напаиваются шарики из олова для создания металлургического эффекта. Применение проволок различного диаметра по длине необходимо для снижения перенапряжений, возникающих на предохранителях при перегорании вставок.
Применение плавкой вставки из нескольких параллельных проволок, свободно размещенных в патроне, приводит к увеличению теплоотдачи, благодаря чему общее сечение вставки по сравнению с сечением одной вставки уменьшается. Кроме того, применение проволок с малым сечением уменьшает объем паров в электрической дуге, расщепляет ее на части и облегчает ее гашение. Отметим, что гашение дуги в предохранителях с кварцевым песком основано
на интенсивной деионизации ее в узких щелях между песчинками наполнителя.Герметизация патрона осуществляется двумя колпачками с крышками, устанавливаемыми по концам
фарфорового кожуха. Крышки припаиваются к колпачкам, в результате чего патрон предохранителя допускает многократную перезарядку. Предохранители ПК имеют указатель срабатывания (рис.4). На нижней крышке патрона закреплена металлическая втулка. Во втулку вставлена пружина, закрепленная у основания. На свободном конце пружины находится указатель. Стальная проволока посредством укрепленной на ней обоймы и крючка указателя держит
в сжатом состоянии. При перегорании вставки и стальной проволоки пружина освобождается и указатель, выходя из втулки, сигнализирует о срабатывании предохранителя.
Контакты предохранителя изготовляются из двух латунных губок, охваченных стальной пружинящей скобой и приклепанных к выводным пластинам. Имеются ограничители, облегчающие установку патрона в правильное положение и препятствующие выскальзыванию его из контактов. Контакты предохранителей на токи свыше 20 А снабжены замком в виде откидывающейся пружинящей скобы, предотвращающей выпадение патрона от действия электродинамических сил при прохождении токов к. з.
Наибольшее применение предохранители ПК получили для защиты силовых трансформаторов. Они предназначаются только для защиты от повреждений внутри трансформатора и от к. з. на стороне напряжения 6— 10 кВ. Защита трансформатора от перегрузки осуществляется на стороне напряжения 0,38 кВ.
Трансформатор
Известно, что при протекании по линии тока часть электроэнергии расходуется на нагревание проводов. Электрическая энергия, теряемая в проводах, тем больше, чем больше ток и сопротивление проводов. Уменьшить потери только за счет снижения сопротивления проводов экономически невыгодно, так как при этом требуется значительное увеличение сечения проводов, т.е. большой расход цветных металлов.
Для снижения потерь электроэнергии и сокращения расхода цветных металлов идут по пути увеличения напряжения при помощи трансформаторов. Трансформаторы, изменяя величину напряжения, автоматически изменяют величину тока, поэтому передаваемая мощность остается неизменной, а потери в проводах линии пропорциональные квадрату силы тока (I2·R), при повышении напряжения резко сокращается. Например, при увеличении напряжения передаваемой энергии в 10 раз потери снижаются в 100 раз.
Для повышения напряжения любой электропередачи устанавливают повышающие трансформаторы, а чтобы напряжение снизить до величины, на которую строят теплоприемники, в конце линии устанавливают понижающие трансформаторы. В современной электроэнергетике большую роль играют силовые трансформаторы, т.е. трансформаторы, которые служат для повышения и понижения напряжения в сетях энергетических систем, передачи электроэнергии на большие расстояния и распределения ее между потребителями. Силовые трансформаторы отличаются большой мощностью и высоким напряжением. Электрическую энергию приходится передавать на большие расстояния – в объединенную энергосистему, в центры ее потребления и непосредственно к многочисленным мелким потребителям, поэтому необходима многократная ее трансформация, а следовательно, установка значительного количества повышающих и понижающих силовых трансформаторов.
Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока, в том числе для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого по величине напряжения. В основу работы трансформатора положено явление электромагнитной индукции, заключающееся в том, что при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, в последнем наводится электродвижущая сила.
Рис.5 Трехфазный трансформатор ТМ-50/6:
1 – трубчатый бак, 2 – термометр, 3 – крышка бака, 4 – привод переключателя, 5 – пробка яла заливки масла и сообщения с воздухом, 6 – маслоуказатсль, 7 – отводы обмотки ВН, 8 – обмотки, 9 – отводы обмотки НН, 10 – переключатель регулировочных ответвлений обмотки ВН, 11 – пробивной предохранитель, 12 – ввод НН (400 В), 13 – ввод ВН (6000 В), 14 – магнитопровод, 15 – пробка для отбора и спуска масла
Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия (напряжение) преобразуемого переменного тока, называется первичной обмоткой трансформатора. Обмотка трансформатора, от которой отводится энергия (напряжение) преобразованного переменного тока, называется вторичной обмоткой трансформатора.
Важным показателем трансформатора является коэффициент трансформации k, равный отношению э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. вторичной обмотки.
При холостом ходе допустимо считать, что э.д.с. обмоток равны по напряжению, т.е. Е
1 = U
1 и Е
2 = U
2. Поэтому если, например, первичная обмотка с числом витков w
1 является обмоткой высшего напряжения, а вторичная с числом витков w
2 – низшего, то,
Если k > 1, то трансформатор понижающий, если k < 1, то повышающий.
Т.о., зная коэффициент трансформации и напряжение на вторичной стороне трансформатора, легко определить напряжение на первичной стороне, и наоборот. Это относится и к числам витков.
По напряжению трансформаторы делят на классы. Обмотка трансформатора, имеющая больший класс напряжения, называется обмоткой высшего напряжения (обмоткой ВН). Обмотка трансформатора, имеющая меньший класс напряжения, называется обмоткой низшего напряжения (обмоткой НН). Обмотка трансформатора, класс напряжения, которой является промежуточным между классом напряжения обмотки ВН и классом напряжения обмотки НН (у трехобмоточных трансформаторов), называется обмоткой среднего напряжения (обмоткой СН). Трансформатор, имеющий на стержне магнитопровода две гальванически не связанные обмотки, называется двухобмоточным, имеющий три гальванически не связанные обмотки – трехобмоточным. Мощные силовые трансформаторы часто выполняют трехобмоточными. Одна из этих обмоток является первичной, две другие – вторичными. Трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения, называется повышающим.
Трансформатор, в магнитной системе которого создается однофазное магнитное поле, называется однофазным, в магнитной системе которого создается трехфазное магнитное поле – трехфазным. Для улучшения электрической изоляции токоведущих частей и условий охлаждения трансформатора обмотки вместе с магнитопроводом погружают в бак с трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называют маслонаполненными или масляными. Трансформаторы, работающие на воздухе (не погруженные в масло), называют сухими.
Номинальными называются величины, на которые рассчитан трансформатор: мощность, высшее и низшее напряжения, токи, частота и др. Номинальная мощность трансформаторов выражается полной электрической мощностью в киловольтамперах (кВА). Номинальное первичное напряжение – это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора. Номинальное вторичное напряжение – это напряжение, получающееся на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Номинальные токи определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжениями. Номинальной частотой для трансформаторов 50 Гц.
Условное обозначения. Схемы и группы соединения обмоток трансформаторов
В Государственном стандарте на силовые трансформаторы (ГОСТ 11677—75) установлены обозначения начал и концов обмоток и их ответвлений.
Начала фазных обмоток ВН трехфазных трансформаторов обозначают прописными латинскими буквами А, В, С, концы – буквами X, Y, Z. Чередование фаз А, В, С принято считать слева направо, если смотреть со стороны отводов ВН. Начала обмоток НН обозначают строчными латинскими буквами а, b, с, концы х, у, z.
Для трехобмоточных трансформаторов начала обмоток среднего напряжения СН обозначают буквами Ат, Вт, Ст, концы – буквами Хт, Ут, Zm. Выводы от нейтрали обозначают 0 и 0m. Обмотки однофазных трансформаторов обозначают так же, как первых фаз трехфазных трансформаторов: А–Х, Ат –Хт, а – х.
Обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в звезду, треугольник или зигзаг. Соответственно эти схемы обозначают значками Y, ∆ и буквами У, Д и Z. При выводе от нейтрали звезды или зигзага ответвления (отвода) к буквенным обозначениям добавляют букву н (Ун, Zн).
По ГОСТ 11677—75 обмотки ВН и НН трансформаторов соединяют в следующие схемы и группы:
1)Обмотки трехфазных двухобмоточных трансформаторов У/Ун-0, У/Д-11, Ун/Д-11, У/Zн-11, Д/Ун-11 и Д/Д-0 (условное графическое обозначение схем и диаграмм векторов напряжений показано на (рис.9,а);
2)Обмотки однофазных двухобмоточных трансформаторов – 1/1-0 (рис.9,б);
3)Обмотки трехфазных трехобмоточных трансформаторов Ун /Ун / Д-0-11 и Ун /Д/Д-11-11 (рис.9,в).
Рис.9-Схемы и группы соединения трансформаторов
