Перенапряжения, виды и причины возникновения

Перенапряжение - это напряжение, превышающее амплитуду наибольшего рабочего напряжения (Uном) на изоляции элементов электрической сети. В зависимости от места приложения различаются перенапряжения фазные, междуфазные, внутриобмоточные и междуконтактные. Последние возникают при приложении напряжения между разомкнутыми контактами одноименных фаз коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей).

Различают следующие характеристики перенапряжений:

максимальное значение Umax или кратность K = Umax/Uном;

длительность воздействия;

форму кривой;

широту охвата элементов сети.

Эти характеристики подвержены статистическому разбросу, так как зависят от множества факторов.

При технико-экономическом обосновании мер защиты от перенапряжений и выборе изоляции необходимо учитывать и статистические характеристики ущерба (математическое ожидание и дисперсию) вследствие простоя и внеочередного ремонта оборудования энергосистемы, а также вследствие порчи оборудования, брака продукции, нарушения технологического процесса у потребителей электроэнергии.

Основные виды перенапряжений в сетях высокого напряжения приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Основные виды перенапряжений в сетях высокого напряжения

Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. В зависимости от условий возникновения и возможной длительности воздействия на изоляцию различают стационарные, квазистационарные и коммутационные перенапряжения.

Коммутационные перенапряжения - возникают при внезапных изменениях в схеме или параметров сети (плановые и аварийные переключения линий, трансформаторов и т.д.), а также в результате замыканий на землю и между фазами. При включении элементов электрической сети (проводов линии или обмоток трансформаторов и реакторов) или отключении (разрыв электропередачи) возникают колебательные переходные процессы, которые могут привести к возникновению значительных перенапряжений. При возникновении короны потери оказывают демпфирующее действие на первые максимумы этих перенапряжений.

Отключение емкостных токов электрических цепей может сопровождаться повторными зажиганиями дуги в выключателе и многократными переходными процессами и перенапряжениями, а отключение малых индуктивных токов холостого хода трансформаторов - принудительным обрывом дуги в выключателе и колебательным переходом энергии магнитного поля трансформатора в энергию электрического поля его параллельных емкостей. При дуговых замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью также наблюдаются многократные зажигания дуги и возникновение соответствующих дуговых перенапряжений.

Главной причиной возникновения квазистационарных перенапряжений является емкостный эффект, обусловленный, например, односторонне питаемой от генераторов линией передач.

Несимметричные режимы линий возникающие, например, при замыкании одной фазы на землю, обрыве провода, отказе одной или двух фаз выключателя, могут привести к дополнительному повышению напряжения основной частоты или явиться причиной перенапряжений на какой-нибудь высшей гармонической - кратной частоте э.д.с. генератора.

Источником высших или низших гармонических и соответствующих феррорезонансных перенапряжений, может явиться также какой - либо элемент системы с нелинейными характеристиками, например, трансформатор с насыщенным магнитопроводом. При наличии источника механической энергии, периодически изменяющего параметр цепи (индуктивность генератора) в такт с частотой собственных колебаний электрической цепи, может возникнуть параметрический резонанс.

В некоторых случаях необходимо учитывать также возможность возникновения внутренних перенапряжений повышенной кратности при наложении нескольких коммутаций или других неблагоприятных факторов.

Для ограничения коммутационных перенапряжений в сетях 330-750 кВ, где стоимость изоляции оказывается особенно существенной, применяют мощные вентильные разрядники или реакторы. В сетях более низких классов напряжения для ограничения внутренних перенапряжений разрядники не применяются, а характеристики грозозащитных разрядников выбирают так, чтобы они не срабатывали при внутренних перенапряжениях.

Грозовые перенапряжения относятся к внешним перенапряжениям и возникают при воздействии внешних э.д.с. Наибольшие грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии в линию и подстанцию. Вследствие электромагнитной индукции близкий удар молнии создает индуктированное перенапряжение, которое обычно приводит к дополнительному увеличению напряжения на изоляции. Дойдя до подстанции или электрической машины, распространяющиеся от места поражения электромагнитные волны, могут вызвать опасные перенапряжения на их изоляции.

Для обеспечения надежной работы сети необходимо осуществить ее эффективную и экономичную грозозащиту. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью высоких вертикальных стержневых молниеотводов и грозозащитных тросов над проводами ВЛ свыше 110 кВ.

Защита от волн, приходящих с линии, осуществляется вентильными и трубчатыми разрядниками на подстанциях усиленной грозозащитой подходов к подстанциям линий всех классов напряжений. Необходимо обеспечивать особо надежную грозозащиту вращающихся машин с помощью специальных разрядников, конденсаторов, реакторов, кабельных вставок и усиленной грозозащитой подхода воздушной линии.

Применение заземления нейтрали сети через дугогасящую катушку, АПВ и резервирования линий, тщательная профилактика изоляции, разрядников и заземления значительно повышают надежность работы линий.

Необходимо отметить, что электрическая прочность изоляции уменьшается при увеличении длительности воздействия напряжения. В связи с этим одинаковые по амплитуде внутренние и внешние перенапряжения представляют неодинаковую опасность для изоляции. Таким образом, уровень изоляции нельзя характеризовать одной величиной выдерживаемого напряжения.

16)Разъединитель - это контактный коммутационный аппарат, переназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток.

При ремонтных работах разъединителем создается видимый разрыв между частями, оставшимися под напряжением, и аппаратами, выведенными в ремонт. Разъединителями нельзя отключать токи нагрузки, так как их контактная система не имеет дугогасительных устройств и в случае ошибочного отключения токов нагрузки возникает устойчивая дуга, которая может привести к междуфазному КЗ и несчастным случаям с обслуживающим персоналом, перед операцией разъединителем цепь должна быть разомкнута выключателем.

Для упрощения схем электроустановок допускается [3] использовать разъединители для производства следующих операций:

отключения и включения нейтралей трансформаторов и заземляющих дугогасящих реакторов при отсутствии в сети замыкания на землю;

отключение зарядного тока шин и оборудования всех напряжений (кроме батарей конденсаторов);

отключение нагрузочного тока до 15 А трехполюсными разъединителями наружной установки при напряжении 10 кВ и выше.

Разъединителем разрешается также производить операции, если он надежно шунтирован низкоомной параллельной цепью (шиносоединительным или обходным выключателем).Отделителями и разъединителями разрешается отключать и включать незначительный намагничивающий ток силовых трансформаторов и зарядный ток воздушных и кабельных линий.

Требования предъявляемые к разъединителям:

создание видимого разрыва в воздухе, электрическая прочность которого соответствует максимальному импульсному напряжению;

электродинамическая и термическая стойкость при протекании токов КЗ;

исключение самопроизвольных отключений;

четкое включение и отключение при наихудших условиях работы (обледенение, снег, ветер).

Разъединители по числу полюсов могут быть одно- и трехполюсными, по роду установки - для внутренних и наружных установок, по конструкции - рубящего, поворотного, катящегося, пантографического и подвесного типа. По способу установки различают разъединители с вертикальным и горизонтальным расположением ножей.

Заземляющие ножи разъединителя имеют механическую блокировку, не разрешающую включать их при включенных главных ножах, для управления заземляющими ножами используется ручной привод. Во включенном и отключенном положение разъединитель надежно фиксируется системой рычагов привода, чтобы исключить самопроизвольное отключение или включение.

Короткозамыкатель - это коммутационный аппарат, предназначенный для создания искусственного КЗ в электрической цепи.

Применяются в упрощенных схемах подстанции для того, чтобы обеспечить отключение поврежденного трансформатора после создания искусственного КЗ действием релейной защиты питающей линии. В установках 35 кВ применяют 2 полюса короткозамыкателя, при срабатывании которых создается искусственное двухфазное КЗ. в установках с заземленной нейтралью (110 кВ и выше) применяется один полюс. Привод корткозамыкателя имеет пружину, которая обеспечивает включение заземляющего ножа на неподвижный контакт, находящейся под напряжением. Импульс для работы привода подается от релейной защиты, отключение производиться в ручную. При включение короткозамыкателя во избежание возникновения дуги и повреждения аппарата необходимо обеспечить высокую скорость движения ножа. В существующих конструкщиях время включения составляет 0,12 - 0,25 с.

Отделитель - внешне не отличается от разъединителя, но у него для отключения имеется пружинный привод. Включение отделителя производиться в ручную. Они могут иметь заземляющие ножи. Недостатком существующих конструкций отделителей является довольно большое время отключения (0,4 - 0,5 с.). Отделители могут отключать обесточенную цепь или ток намагничивания трансформатора (не более 20 А).

Отделители и короткозамыкатели открытой конструкции недостаточно надежно работают в неблагоприятных погодных условиях (мороз, гололед), наблюдались случаи отказа в работе. В связи с этим разработаны отделители и короткозамыкатели с контактной системой, расположенной в закрытой камере, заполненной элегазом.

Предохранители - высокого напряжения имеют то же самое назначение и принцип действия, что и предохранители до 1 кВ. Предохранители с мелкозернистым наполнителем (серия ПК) выполняются на напряжения 3, 6, 10, 35 кВ и номинальные токи соответственно 400, 300, 200 и 40 А. Эти предохранители обладают токоограничивающим эффектом, полное время отключения при токах КЗ 0,005 - 0,007 с. Быстрое гашение дуги в узких каналах между зернами кварца приводит к перенапряжениям, опасным для изоляции установки. Для снижения перенапряжения искусственно затягивают гашение дуги, применяя плавкие вставки разного сечения по длине или плавкие вставки с искровыми промежутками, включенные параллельно основным рабочим вставкам. Сначала расплавляется рабочая вставка, при возникшем перенапряжении пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также перегорает. Суммарное время срабатывания предохранителя при больших кратностях токов не превышает 0,008с.

17) Выключатель — электрический аппарат для замыкания и размыкания электрической цепи, включения и отключения оборудования.

Назначение, основные параметры. Выключатели высокого напряжения предназначены для коммутации цепей переменного тока с напряжением 3 кВ и выше во всех режимах, возможных в эксплуатации: включение и отключение номинальных токов, токов КЗ, токов холостого хода силовых трансформаторов и емкостных токов конденсаторных батарей и длинных линий. Наиболее тяжелым режимом работы выключателя является отключение и включение токов КЗ.
Основные параметры выключателей: номинальное напряжение, номинальный (длительный) ток, номинальный ток термической стойкости, номинальный ток электродинамической стойкости, номинальный ток отключения, номинальная мощность отключения, номинальный ток включения, собственное время включения и отключения выключателя, полное время включения и отключения.
Первые четыре параметра ничем не отличаются от аналогичных параметров других аппаратов, включенных последовательно в рабочую цепь. Особенности изоляции аппаратов высокого напряжения рассмотрены в [1].
б) Номинальный ток отключения. Токи КЗ в современных цепях высокого напряжения достигают сотен килоампер. При таких токах процесс гашения дуги в высоковольтных выключателях очень сложен из-за высокого номинального напряжения и высокой скорости восстановления напряжения.
Номинальный ток отключения, представляет собой наибольший ток, который выключатель способен надежно отключать при возвращающемся напряжении между фазами, равном наибольшему рабочему напряжению сети (при заданных условиях восстановления напряжения на контактах выключателя). Значение характеризует отключающую способность выключателя. Отключающая способность выключателя часто определяется номинальной мощностью отключения.

Понятие этой мощности условно. Когда по выключателю протекает номинальный ток, то напряжение на зажимах аппарата практически равно напряжению на дуге и составляет несколько процентов напряжения сети. Восстановление этого напряжения происходит после прекращения тока. Таким образом, UH0M и /о.ном действуют на выключатель в различное время. Однако
Он учитывает нагрузку выключателя этими двумя факторами и по существу представляет собой мощность, близкую к мощности короткого замыкания сети, в которой установлен выключатель.
В большинстве случаев причина, вызывающая КЗ, носит временный характер. Например, в результате перенапряжений произошло перекрытие фарфорового изолятора и возникло КЗ на землю. Если причина быстро исчезла, а фарфоровая изоляция осталась неповрежденной, то при новом включении удается возобновить подачу энергии потребителю. Этот процесс называется автоматическим повторным включением (АПВ) выключателя. Применение АПВ позволяет повысить надежность энергоснабжения.
Время с момента отключения до нового включения должно быть достаточно малым для того, чтобы обеспечить непрерывную работу потребителя. Это время должно быть достаточным для деионизации пробитого промежутка после отключения цепи. Время деионизации составляет примерно 0,1—0,5 с и зависит от напряжения системы.
Если к моменту повторного включения КЗ в цепи не исчезает, тогда выключатель включается на существующее КЗ, после чего следует вновь отключение КЗ. В ряде выключателей, например в масляных, отключение второго КЗ происходит в более тяжелых условиях, так как после первого отключения дугогасительное устройство может быть только частично заполнено маслом.

18)В масляных баковых выключателях масло служит для гашения дуги и изоляции токоведущих частей. При напряжении до 10 кВ (в некоторых типах выключателей до 35 кВ) выключатель имеет один бак, в котором находятся контакты всех трех фаз, при большем напряжении для каждой фразы предусматривается свой бак. В установках 6 – 10 кВ применяли масляные выключатели ВМБ-10, ВМЭ-6, ВМЭ-10, ВС-10, им на смену пришли выключатели маломасляные иэлегазовые.

Баковые масляные выключатели использовались в наружных установках напряжением 35 кВ и выше. Они отличались простотой конструкции, что определило их широкое применение и в настоящее время. В отличие от простейшего выключателя они имеют специальные устройства - гасительные камеры.

По принципу действия дугогасительные устройства можно разделить на три группы:
1) с автодутьем, в которых высокое давление и большая скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии;
2) с принудительным масляным дутьем, у которых к месту разрыва масло нагнетается с помощью специальных гидравлических механизмов;
3) с магнитным гашением в масле, в которых дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие каналы и щели.

Наиболее эффективным и простым являются дугогасительные устройства с автодутьем. Следует отметить, что устройства с автодутьем работают тем эффективнее, чем больше ток в дуге. При отключении малых токов давление газов может оказаться незначительным, вследствие чего дутье будет неэнергичным, что приведет к затягиванию гашения дуги. По этой причине некоторые гасительные устройства с автодутьем дополнены принудительным масляным дутьем, которое обеспечивает гашение малых токов.

Чем выше напряжение, тем больше необходимо разрывов. Для равномерного распределения напряжения между основными разрывами параллельно им включается шунтирующее сопротивление. После гашения дуги на основных разрывах ток, проходящий через шунтирующее сопротивление, гасится на вспомогательных разрывах, обычно вне камеры. В дугогасительных устройствах с помощью изоляционных пластин и выхлопных отверстий создаются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов (дутье). В зависимости от расположения каналов различают камеры с поперечным, продольным и встречно-поперечным дутьем.

Выключатель работает по двухступенчатому циклу: сначала размыкаются контакты дугогасительных камер, происходит гашение дуг и прерывается цепь основного тока, затем в открытом разрыве контактов траверсы и контактов дугогасительных камер прерывается ток, протекающий через шунты. Траверса приводится в движение изолирующей тягой, связанной с приводным механизмом. На днище бака установлено льдоулавливающее устройство, предотвращающее всплытие замерзшего конденсата. Для подогрева масла при низких температурах к днищу крепится устройство электроподогрева, которое включается при температурах воздуха ниже – 150С. Это необходимо чтобы не снижалась скорость перемещения подвижных частей выключателя при увеличении вязкости масла. Например, в выключателе У-220 на три полюса необходимо 27000 кг масла.

Основные преимущества баковых выключателей:

простота конструкции,

высокая отключающая способность,

пригодность для наружной установки,

возможность установки встроенных трансформаторов тока.

Недостатки баковых выключателей:

взрыво- и пожароопасность;

необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и на вводах;

большой объем масла, что обусловливает большую затрату времени на его замену,

необходимость больших запасов масла;

непригодность для установки внутри помещений;

непригодность для выполнения быстродействующего АПВ;

большая затрата металла, большая масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.

Маломасляные выключатели:

В маломасляных выключателях в качестве изоляции токоведущих частей друг от друга и дугогасительных устройств от земли применяются различные твердые изоляционные материалы (керамика и т.п.). Масло служит только для выделения газа. Каждый разрыв цепи снабжается отдельной камерой с дугогасительным устройством, обычно выполненным с поперечным дутьем. В отключенном положении подвижный контакт находится выше уровня масла для повышения электрической прочности разрыва, т.к. малый объем масла из-за загрязненности продуктами разложения теряет свои диэлектрические свойства. Для удержания паров масла при гашении дуги от уноса вместе с продуктами разложения в конструкции предусмотрены маслоотделители. При больших номинальных токах применяются две пары контактов (рабочие и дугогасительные). Рабочие контакты находятся снаружи выключателя, а дугогасительные внутри. При помощи регулирования длины дугогасительных контактов обеспечивается отключение сначала рабочих контактов (без появления дуги), а затем - дугогасительных.

Достоинства маломасляных выключателей:

небольшое количество масла

относительно малая масса

Недостатки:

необходимость контроля и доливки масла

Маломасляные выключатели (горшковые) получили широкое распространение в закрытых (ЗРУ) и открытых (ОРУ) распределительных устройствах всех напряжений.

Масло в этих выключателях в основном служит дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами. Изоляция токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами. Контакты выключателей для внутренней установки находятся в стальном бачке (горшке), отсюда сохранилось название выключателей «горшковые». Маломасляные выключатели напряжением 35 кВ и выше имеют фарфоровый корпус. Самое широкое применение имеют выключатели 6—10 кВ подвесного типа. В этих выключателях корпус крепится на фарфоровых изоляторах к общей раме для всех трех полюсов. В каждом полюсе предусмотрен один разрыв контактов и дугогасительная камера.

По типу, показанному на рисунке, изготовляют выключатели ВМГ-10 (выключатель масляный горшковый) и ВПМ-10, а ранее изготовились выключатели ВМГ-133.

По конструктивной схеме, приведенной на рисунке, изготовляются выключатели серии ВМП (выключатель маломасляный подвесной). При больших номинальных токах обойтись одной парой контактов (которые выполняют роль рабочих и дугогасительных) трудно, поэтому предусматривают рабочие контакты снаружи выключателя, а дугогасительные внутри металлического бачка. При больших отключаемых токах на каждый полюс имеются два дугогасительных разрыва. По такой схеме выполняются выключатели серий МГГ и МГ на напряжение до 20 кВ включительно. Массивные внешние рабочие контакты 4 позволяют рассчитать выключатель на большие номинальные токи (до 12000 А).

Специально для КРУ выдвижного исполнения разработаны и изготовляются колонковые маломасляные выключатели серии ВК по схеме рис. д. Для установок 35 кВ и выше корпус колонковых выключателей фарфоровый, заполненный маслом (рис. е). В выключателях 35, 110 кВ предусмотрен один разрыв на фазу, при больших напряжениях - два и более разрывов.

Выключатели серии ВМП широко применяются в закрытых и комплектных распределительных устройствах 6 - 10 кВ. Выключатели для КРУ имеют встроенный пружинный или электромагнитный привод (типы ВМПП и ВМПЭ), Выключатели этих серий рассчитаны на номинальные токи 630 - 3150 А и токи отключения 20 и 31,5 кА.

Внутреннее устройство полюса для выключателей всей серии одинаково. Количество масла в выключателях на токи (630 – 1600)А 5,5 кг, в выключателях на 3150 А 8 кг.

Конструкция маломасляных выключателей 35 кВ и выше продолжает совершенствоваться с целью увеличения номинальных токов и отключающей способности. В мировой практике маломасляные выключатели изготовляются на напряжения до 420 кВ.

Достоинствами маломасляных выключателей являются небольшое количество масла, относительно малая масса, более удобный, чем у баковых выключателей, доступ к дугогасительным контактам, возможность создания серии выключателей на разное напряжение с применением унифицированных узлов.

Недостатки маломасляных выключателей: взрыво- и пожароопасность, хотя и значительно меньшая, чем у баковых выключателей; невозможность осуществления быстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установки встроенных трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность.

Область применения маломасляных выключателей — закрытые распределительные устройства электростанций и подстанций 6, 10, 20, 35 и 110 кВ, комплектные распределительные устройства 6, 10 и 35 кВ и открытые распределительные устройства 35, 110 и 220 кВ.

19)Воздушный выключатель - электрический выключатель, в котором замыкание и размыкание контактов, а также гашение электрической дуги производятся сжатым воздухом. Давление сжатого воздуха в Воздушный выключатель колеблется в пределах 0,4 до 6 Мн/м2 (от 4 до 60 aт); наиболее распространённое давление 1,6-4Мн/м2 (16-40 ат). Воздушный выключательконструктивно состоит из 3 основных элементов: резервуара с запасом сжатого воздуха, дугогасительного устройства и электропневматического привода.

Конструктивные схемы воздушных выключателей

Основная часть тока во включенном положении выключателя проходит по главным контактам 4, расположенным открыто. При отключении выключателя главные контакты размыкаются первыми, после чего весь ток проходит по дугогасительным контактам, заключенным в камере 2. К моменту размыкания этих контактов в камеру подается сжатый воздух из резервуара 1, создается мощное дутье, гасящее дугу. Дутье может быть продольным или поперечным. Необходимый изоляционный промежуток между контактами в отключенном положении создается в дугогасительной камере путем разведения контактов на достаточное расстояние или специальным отделителем 5, расположенным открыто. После отключения отделителя прекращается подача сжатого воздуха в камеры и дугогасительные контакты замыкаются. Выключатели, выполненные по такой конструктивной схеме, изготовляются для внутренней установки на напряжение 15 и 20 кВ и ток до 20000 А (серия ВВГ), а также на 35 кВ (ВВЭ-35-20/1600УЗ).

В выключателях для открытой установки дугогасительная камера расположена внутри фарфорового изолятора, причем на напряжение 35 кВ достаточно иметь один разрыв на фазу (рис. в), на 110 кВ - два разрыва на фазу (рис. г). Различие между этими конструкциями состоит в том, что в выключателе на 35 кВ изоляционный промежуток создается в дугогасительной камере 2, а в выключателях напряжением 110 кВ и выше после гашения дуги размыкаются контакты отделителя 5 и камера отделителя остается заполненной сжатым воздухом на все время отключенного положения. При этом в дугогасительную камеру сжатый воздух не подается и контакты в ней замыкаются. По конструктивной схеме рис.,г созданы выключатели серии ВВ на напряжение до 500 кВ. Чем выше номинальное напряжение и чем больше отключаемая мощность, тем больше разрывов необходимо иметь в дугогасительной камере и в отделителе (на 330 кВ - восемь; на 500 кВ - десять).

В рассмотренных конструкциях воздух подается в дугогасительные камеры из резервуара, расположенного около основания выключателя. Если контактную систему поместить в резервуар сжатого воздуха, изолированный от земли, то скорость гашения дуги значительно увеличится. Такой принцип заложен в основу серии выключателей ВВБ (рис. д). В этих выключателях нет отделителя. При отключении выключателя дугогасительная камера 2, являющаяся одновременно резервуаром сжатого воздуха, сообщается с атмосферой через дутьевые клапаны, благодаря чему создается дутье, гасящее дугу. В отключенном положении контакты находятся в среде сжатого воздуха. По такой конструктивной схеме созданы выключатели до 750 кВ. Количество дугогасительных камер (модулей) зависит от напряжения:

при напряжении 110 кВ - одна;

при напряжении 220, 330 кВ - две;

при напряжении 500 кВ - четыре;

при напряжении 750 кВ - шесть (в серии ВВБК).

Для равномерного распределения напряжения по разрывам используют омические 3 и емкостные 6 делители напряжения.

Воздушные выключатели имеют следующие достоинства: взрыво- и пожаробезопасность, быстродействие и возможность осуществления быстродействующего АПВ, высокую отключающую способность, надежное отключение емкостных токов линий, малый износ дугогасительных контактов, легкий доступ к дугогасительным камерам, возможность создания серий из крупных узлов, пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатками воздушных выключателей являются: необходимость компрессорной установки, сложная конструкция ряда деталей и узлов, относительно высокая стоимость, трудность установки встроенных трансформаторов тока.

20)

Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, что является большим их преимуществом перед другими типами выключателей. Отсутствие масла упрощает эксплуатацию выключателя, делает его полностью взрыво- и пожаробезопасным. Выключатели этого типа выпускают на напряжение 6 - 10 кВ, номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА.

Конструкция:

1 и 15 - разъемные контакты;
2 - неподвижный контакт выключателя;
3 и 8 - катушки магнитного дутья;
3' и 8' - магнитные полюса;
4 и 7 - рога;
5 - поперечные перегородки;
6 - деионная решетка;
9 - подвижный контакт;
10 - трубка обдува;
11 - привод;
12 - ось;
13 - цилиндр;
14 - поршень;
I, II, III и IV - положение дуги при ее гашении

достоинстваэлектромагнитных выключателей: полная взрыво- и пожаробезопасность, малый износ дугогасительных контактов, пригодность для работы в условиях частых включений и отключений, относительно высокая отключающая способность.

Недостатки: сложность конструкции дугогасительной камеры с системой магнитного дутья, ограниченный верхний предел номинального напряжения (15—20 кВ), ограниченная пригодность для наружной установки.

Вакуумные выключатели

Теоретически и практически доказано, что самый простой способ гашения электрической дуги - в вакуумных выключателях, так как в вакуумных камерах практически отсутствует среда, проводящая электрический ток. В эксплуатации вакуумный выключатель также более прост, чем маломасляный и электромагнитный. Прекрасные дугогасящие свойства глубокого вакуума позволили создать выключатели на напряжение 10 кВ, которые благодаря своим преимуществам вытесняют маломасляные и электромагнитные выключатели.
В вакуумных дугогасительных камерах реализуется два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла, не говоря о воздухе,) и высокая дугогасительная способность.
В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляют десятки и сотни метров, т.е. во много раз больше, чем расстояния между контактами выключателя. Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры (рис.6.1.).
При массовом производстве стоимость вакуумных выключателей всего на 5-15% больше стоимости маломасляных и меньше стоимости электромагнитных. Большая экономия при эксплуатации делает эти выключатели высокоэффективными, что обуславливает их все более широкое распространение (в Японии 50% всех выключателей вакуумные).

Конструкция:

На рис. 1 обозначено:
1 - вакуумная дугогасящая камера;
2 - основание модуля;
3 - крышка;
4 - синхронизирующий вал;
5 - вспомогательные контакты;
6 - блокировочная тяга;
7 - привод, особенности работы которого будут рассмотрены в дальнейшем;
8 - торцевой блокировочный узел.
Как видно из рис. 1, этот выключатель состоит из трех полюсов с пофазно встроенными электромагнитными приводами, размещенными на общем основании. Приводы каждой из фаз, расположенные внутри основания выключателя, механически соединены между собой посредством общего вала, выполняющего три функции: обеспечивает синхронизацию фаз, предохраняя от неполнофазных режимов; приводит в действие вспомогательные контакты выключателя; обеспечивает механическую блокировку работы распредустройства, в котором установлен данный выключатель; управляет визуальными индикаторами положения выключателя.

Достоинства вакуумных выключателей:
1. Отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды и масляного хозяйства.

Высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и
токов КЗ.

Снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации.

Быстрое восстановление электрической прочности.

Полная взрыво- и пожаробезопасность.

Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

Произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры
(ВДК) в конструкции выключателя.

Широкий диапазон температур окружающей среды, в котором может
работать ВДК (от -70° до + 200° С).

Безшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные
малым выделением энергии в дуге и отсутствием внешних эффектов при отключении токов КЗ.

Отсутствие загрязнения окружающей среды.

Высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах
АПВ.

Сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические на
грузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности
привода.

Легкая замена ВДК.

К недостаткам можно отнести:
1. Возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов.

Трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием
контактных материалов, сложностью вакуумного производства,
склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума.

Большие вложения, необходимые для осуществления технологии
производства, и поэтому большая стоимость.

21)

Элегазовый выключатель – коммутационный аппарат, широко применяемый в электроустановках класса напряжения 6-220 кВ. В роли изолирующей и дугогасительной среды выключателя выступает элегаз (электрический газ). Последний являет собой безвредный, химически не активный, не горючий газ, который обладает высокой электрической прочностью и теплопроводимостью.

Конструкция:

Дугогасительное устройство выключателя элегазового типа отличается простотой конструкции и небольшим размером. Гашение дуги производится при небольшом количестве разрывов и достаточно быстро. Ниже рассмотрим конструктивные особенности и принцип гашения дуги в выключателе. Каждый из трех полюсов рассматриваемого коммутационного аппарата – герметичный резервуар из металла, заполненный сжатым под давлением 0,6 МПа элегазом. В полюсе выключателя размещено автопневматическое устройство для гашения дуги. При включенном положении неподвижный контакт 5 плотно соединен с ламелями подвижного контакта 3. При отключении выключателя цилиндр 4, подвижный контакт 3 и сопло из фторопласта 4 опускаются вниз, сжимая при этом элегаз в камере 6. Находящийся по давлением электрический газ движется в сопло, где гасит электрическую дугу, возникающую при расхождении подвижного и неподвижного контактов (см. изображение).

преимущества выключателей:

- возможно использование элегазовых выключателей на любое из напряжений, применяемых в отечественной энергетике;

- небольшие масса и габаритные размеры конструкции элегазовых выключателей в сочетании с бесшумной работой привода;

- дуга гасится в замкнутом газовом объеме без доступа в атмосферу;

- безвредная для человека, экологически чистая, инертная газовая среда элегазового выключателя;

- увеличенная коммутационная способность элегазового выключателя;

- работа в режиме переключения больших и малых токов без возникновения перенапряжения, что автоматически исключает наличие устройств ОПН (ограничение перенапряжения);

- высокая надежность элегазового выключателя, межремонтный период увеличен до 15 лет;

- пожаробезопасность оборудования.

К недостаткамэлегазовых выключателей следует отнести:

- высокую стоимость оборудования и текущие затраты на эксплуатацию, так как требования к качеству элегаза очень высоки;

- температура окружающей среды влияет на агрегатное состояние элегаза, что требует применения систем подогрева выключателя при пониженных температурах (при -40°С элегаз становится жидкостью);

- коммутационный ресурс элегазового выключателя ниже, чем у аналогичного вакуумного выключателя;

- необходимы высококачественные уплотнения резервуаров и магистралей, так как элегаз очень текуч.

22)

Трансформа́торто́ка — трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику тока, а вторичная обмотка замыкается на измерительные или защитные приборы, имеющие малые внутренние сопротивления.

При эксплуатации энергетических систем часто возникает необходимость преобразования определенных электрических величин в подобные им аналоги с пропорционально измененными значениями. Это позволяет моделировать определенные процессы в электроустановках, безопасно выполнять измерения.

Работа трансформатора тока (ТТ) основана на законе электромагнитной индукции, действующего в электрических и магнитных полях, изменяющихся по форме гармоник переменных синусоидальных величин.

Он преобразует первичную величину вектора тока, протекающего в силовой цепи, во вторичное пониженное значение с соблюдением пропорциональности по модулю и точной передачей угла.

Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:

1. По назначению:

измерительные;

защитные;

промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.);

лабораторные (высокой точности, а также со многими коэффициентами трансформации).

2. По роду установки:

для наружной установки (в открытых распределительных устройствах);

для внутренней установки;

встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;

накладные — надевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);

переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

3. По конструкции первичной обмотки:

многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с т. н. «восьмёрочной обмоткой»);

одновитковые (стержневые);

шинные.

4. По способу установки:

проходные;

опорные.

5. По выполнению изоляции:

с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);

с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;

газонаполненные (элегаз);

с заливкой компаундом.

6. По числу ступеней трансформации:

одноступенчатые;

двухступенчатые (каскадные).

7. По рабочему напряжению:

на номинальное напряжение свыше 1000 В;

на номинальное напряжение до 1000 В.

8. Специальные трансформаторы тока:

нулевой последовательности;

пояс Роговского.

Коэффициент трансформации трансформатора определяется отношением количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной.

Его можно также рассчитать, поделив соответствующие показатели ЭДС в обмотках. В идеальных условиях (если отсутствуют электрические потери) показатель коэффициента трансформации рассчитывается отношением напряжений на зажимах обмоток. У трансформаторов, имеющих более двух обмоток, этот параметр определяется для каждой обмотки поочередно.

Коэффициент трансформации понижающих трансформаторов превышает единицу, повышающих – находится в пределах от 0 до 1. Фактически, коэффициент трансформации показывает, во сколько раз трансформатор понижает поданное на него напряжение.

С помощью коэффициента трансформации есть возможность проверить правильность количества витков, поэтому он определяется для всех имеющихся фаз и на каждом из ответвлений. Подобные измерения и расчеты помогают выявить обрывы проводов в обмотках и узнать полярность каждой из обмоток.

Значение коэффициента трансформации определить можно несколькими способами:

измерением напряжений на обмотках двумя вольтметрами;

с помощью моста переменного тока;

по паспортным данным.

23)

Трансформатор напряжения предназначен для преобразования напряжения до величины удобной для измерения, а также для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения.
Трансформаторы напряжения выбираются:
а) по напряжению установки
; (3.9)
б) по конструкции и схеме соединения обмоток;
в) по классу точности;
г) по вторичной нагрузке
, (3.10)
где - номинальная мощность трансформатора напряжения в выбранном классе точности;
- суммарная нагрузка измерительных приборов присоединенных к трансформатору напряжения.
Для подсчета мощности потребляемой приборами составляется таблица 3.6, в которую вносятся все приборы, подключенные к вторичной обмотке трансформатора напряжения.

24)

Назначение и типы изоляторов

По своему назначению изоляторы делятся на опорные, подвесные и проходные. Опорные изоляторы в свою очередь подразделяются на стержневые и штыревые, а подвесные - на тарельчатые и стержневые.

Опорно-стержневые изоляторы применяют в ЗРУ и ОРУ для крепления на них токоведущих шин или контактных деталей.

Опорно-стержневые изоляторы наружной установки отличаются большим количеством ребер, чем изоляторы внутренней установки. Ребра служат для увеличения длины пути тока утечки с целью повышения разрядных напряжений изоляторов под дождем и в условиях увлажненных загрязнений. Обозначение, например, ОСН-35-2000 расшифровывается следующим образом: опорный, наружной установки, стержневой на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой 2000 даН.

Опорно-штыревые изоляторы применяют для наружных установок в тех случаях, когда требуется высокая механическая прочность. В установках напряжением 110 кВ и выше используются колонки, состоящие из нескольких, установленных друг на друга опорно-штыревых изоляторов на напряжение 35 кВ. В обозначение изоляторов введена буква Ш (штыревой).

Штыревые линейные изоляторы применяются на напряжения 6-10 кВ. Обозначение ШФ6 означает: штыревой фарфоровый на 6 кВ. Буква С в обозначении (ШС) указывает на то, что изолятор стеклянный.

Подвесные изоляторы тарельчатого типа используются на воздушных ЛЭП 35 кВ и выше. Требуемый уровень выдерживаемых напряжений достигается соединением необходимого числа изоляторов в гирлянду. Гирлянды благодаря шарнирному соединению изоляторов работают только на растяжение. Однако изоляторы сконструированы так, что внешнее растягивающее усилие создает в изоляционном теле в основном напряжения сжатия. Так используется высокая прочность фарфора и стекла на сжатие.

Подвесные стержневые изоляторы, как правило, выполняются из электротехнического фарфора. Однако в настоящее время выпускаются и стержневые полимерные изоляторы.

Проходные изоляторы применяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через стены, потолки и другие элементы конструкций РУ и аппаратов. Проходные изоляторы, предназначенные для наружной установки, имеют более развитую поверхность той части изолятора, которая располагается вне помещения.

Обозначение проходного изолятора содержит значение номинального тока, например ПНШ-35/3000-2000 означает: проходной, наружной установки, шинный на напряжение 35 кВ и номинальный ток 3 кА с механической прочностью 20 кН.

Проходные аппаратные изоляторы (вводы) на напряжение 110 кВ и выше имеют значительно более сложную конструкцию

25)

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 - 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70...80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

26)

Подстанцией называется электроустановка, служащая для преобразования и распределения электроэнергии и состоящая из трансформаторов, распределительных устройств, устройств управления, зашиты и измерения.
В зависимости от потребляемой мощности и удаленности от источника питания различают следующие виды подстанций: узловая распределительная: главная понизительная; глубокого ввода; трансформаторный пункт.

Назначение: Подстанция, в которой стоят повышающие трансформаторы, повышает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока.

Функционально подстанции делятся на:

Трансформаторные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения при помощи трансформаторов.

Преобразовательные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования рода тока или его частоты.

Электрическое распределительное устройство, не входящее в состав подстанции, называется распределительным пунктом. Преобразовательная подстанция, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты называется вставкой постоянного тока.

По значению в системе электроснабжения:

Главные понижающие подстанции (ГПП);

Подстанции глубокого ввода (ПГВ);

Тяговые подстанции для нужд электрического транспорта, часто такие подстанции бывают трансформаторно-преобразовательными для питания тяговой сети постоянным током;

Комплектные трансформаторные подстанции 10 (6)/0,4 кВ (КТП). Последние называются цеховыми подстанциями в промышленных сетях, городскими — в городских сетях.

В зависимости от места и способа присоединения подстанции к электрической сети нормативные документы не устанавливают классификации подстанций по месту и способу присоединения к электрической сети. Однако ряд источников даёт классификацию исходя из применяющихся типов конфигурации сети и возможных схем присоединения подстанций[2].

Тупиковые — питаемые по одной или двум радиальным линиям

Ответвительные — присоединяемые к одной или двум проходящим линиям на ответвлениях

Проходные — присоединяемые к сети путём захода одной линии с двухсторонним питанием

Узловые — присоединяемые к сети не менее чем тремя питающими линиями

Ответвительные и проходные подстанции объединяют понятием промежуточные, которое определяет размещение подстанции между двумя центрами питания или узловыми подстанциями. Проходные и узловые подстанции, через шины которых осуществляются перетоки мощности между узлами сети, называют транзитными.

Также используется термин «опорная подстанция», который как правило обозначает подстанцию более высокого класса напряжения по отношению к рассматриваемой подстанции или сети.

В связи с тем, что ГОСТ 24291-90 определяет опорную подстанцию как «подстанцию, с которой дистанционно управляются другие подстанции электрической сети и контролируется их работа», для указанного выше значения целесообразнее использовать термин «центр питания».

По месту размещения подстанции делятся на:

Открытые — оборудование которой расположено на открытом воздухе.

Закрытые — подстанции, оборудование которых расположено в здании.

Электроподстанции могут располагаться на открытых площадках, в закрытых помещениях (ЗТП — закрытая трансформаторная подстанция), под землёй и на опорах (МТП — мачтовая трансформаторная подстанция), в специальных помещениях зданий-потребителей. Встроенные подстанции — типичная черта больших зданий и небоскрёбов.