Исследование схем светозвуковой сигнализации

Цель работы – исследование основных принципов построения схем светозвуковой сигнализации электростанций и подстанций.

На электростанциях и подстанциях предусматривается шесть видов сигнализации:

1. Световая сигнализация положения коммутационных аппаратов выполняется двух ламповой: одна – включено (как правило, красная), другая - отключено (как правило, зелёная), либо трехламповая – красная, зеленая и белая при аварийном отключении.

2. Светозвуковая сигнализация аварийного отключения и автоматического включения обеспечивается центральным звуковым сигналом (сиреной), миганием сигнальной лампы положения того аппарата, который автоматически переключился.

3. Светозвуковая аварийная технологическая сигнализация осуществляется с помощью индивидуальных световых табло и центрального звукового сигнала (звонка).

4. Светозвуковая предупредительная сигнализация об отклонении от нормального режима выполняется аналогично технологической аварийной сигнализации, но звонком другого тембра.

5. Светозвуковая вызывная сигнализация выполняется с помощью центрального звукового сигнала сирены и светового табло, по которому определяется РУ или щит, куда вызывается дежурный, и запоминающего устройства (блинкера), установленного в соответствующем пункте объекта, по которому определяется непосредственная причина вызова.

6. Командная сигнализация со звуковым вызовом и световыми фиксированными командами. Команда должна фиксироваться одновременно и в пункте подачи и в пункте приёма команды и сниматься из пункта приёма.

Содержание работы

При выполнении работы основное внимание нужно уделить исследованию принципов получения сигнала на срабатывание сигнализации, а также требованиям, предъявляемым к схемам сигнализации, и схемным решениям, обеспечивающим выполнение этих требований.

Одним из принципов получения сигнала на срабатывание сигнализации является принцип несоответствия между положением ключа управления и положением управляемого этим ключом выключателя.

В условиях эксплуатации наличие соответствия (несоответствия) дежурный персонал может установить визуально, т.е. определить путём осмотра, в каком положении находится ключ управления, в каком – управляемый аппарат.

Для автоматического соответствия (несоответствия) необходимо информацию о положениях указанных аппаратов преобразовать в электрические величины. Например, в ток который протекает в контрольной цепи при включенном состоянии выключателя (вспомогательный контакт выключателя замкнут) и не протекает при выключённом выключателе (вспомогательный контакт разомкнут). Очевидно, что при использовании вспомогательного размыкающего контакта ток в контрольной цепи будет отсутствовать при включённом выключателе.

Таким образом, можно выбрать такие контакты ключа управления и вспомогательные контакты выключателя, что цепь несоответствия будет замыкаться только при автоматическом отключении выключателя релейной защитой (ключ управления в положении “Включено”).

При выполнении лабораторной работы необходимо обеспечить выполнение основных требований, предъявляемых к схемам сигнализации:

1. Должна быть обеспечена возможность повторного действия звукового сигнала при появлении новой неисправности, даже если не устранена неисправность по ранее полученным сигналам, а звуковой сигнал снят дежурным или автоматически.

2. Световой сигнал должен сниматься лишь после ликвидации причины появления сигнала.

3. Должна предусматриваться возможность периодической проверки исправности звуковой сигнализации и всех ламп сигнальных табло.

На рисунке 13.1 приведена схема звуковой сигнализации аварийного отключения с центральным съёмом сигнала, а на рисунке 13.2 схема светозвуковой предупредительной сигнализации с автоматическим съёмом звукового сигнала. Главным элементом аварийной и предупредительной сигнализации, позволяющим выполнять вышеприведённые требования, является реле импульсной сигнализации (РИС) типа РИС-Э2М или РТД. В данной работе используются оба реле, схема которых приведена на рисунках 13.1, 13.2 и 13.3.

В реле РИС при изменении величины постоянного тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора TV, во вторичной обмотке появляется импульс тока, открывающий тиристор VS . Таким образом, схему сигнализации необходимо составлять так, чтобы величина тока в первичной обмотке TV изменялась скачком при каждом поступлении сигнала на срабатывание сигнализации. Также следует помнить, что закрыть тиристор VS можно путём снятия с него питания или разрыва цепи анодного питания.

В настоящее время, кроме рассмотренного РИС, в схемах сигнализации электрических станций и подстанций используются и другие виды реле, выполненные на современной элементной базе. К ним относятся реле типа РТД. Для ознакомления с ним далее приводится краткое техническое описание.

Реле тока двустабильное серий РТД-11 и РТД-12 применяется в различных схемах аварийной и предупреждающей сигнализации в качестве органа, реагирующего на изменение тока в электрических цепях. Реле серии РТД-11 работают от сети постоянного тока напряжением 48, 60, 110, 220В, серии РТД-12 – от сети переменного тока напряжением 110, 127, 220В частотой 50 и 60Гц.

Основные технические данные

Реле типа	Величина импульса тока срабатывания, А:
РТД-11-01, РТД-12-0,1	0,05
РТД-11-04	0,2
РТД-12-02	0,12

Количество принимаемых сигналов:
РТД-11-01
РТД-11-04
РТД-12

Время срабатывания не более, с ………………………………………………….0,1

Количество замыкающих контактов ………………………………………………1

Потребляемая мощность в режиме ожидания, Вт (В*А) …………………..…...3,8

Схема реле РТД-11 (рисунок 13.3) включает блок формирования импульсов, реагирующий орган, блок временной задержки и выходной исполнительный орган.

Рисунок 13.1

Рисунок 13.2

Блок формирования импульсов реле РТД-11 состоит из трансформатора тока ТА1, нагруженного на резистор и RC – цепь, подключаемую только при питании реле от выпрямительных блоков, двух пиковых детекторов (VD3, C3, R5 и VD4, C2, R4) и двух дифференцирующих цепей (VD5, C4, R8, R11 и VD6, C5, R9, R10). Реагирующий орган представляет собой триггер, выполненный на операционном усилителе А1, с положительной обратной связью (R18, C9, С8 ). Порог срабатывания триггера регулируется с помощью резистора R15.

Блок временной задержки, исключающий ложную работу реле при подаче питания выполнен на двух транзисторах VT1 и VT2. Транзистор VT1 совместно с резисторами R20, R21 задерживает подачу питания на реагирующий орган, а транзисторный ключ выполненный на транзисторе VT2 обеспечивает быстрый разряд конденсатора С12 в цепи питания реле.

Выходной исполнительный орган включает выходной транзистор VT3, работающий в ключевом режиме, и выходное реле KL1. При ступенчатом увеличении постоянного тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора ТА1, на вторичной обмотке формируется импульс отрицательной полярности, который после преобразования поступает на вход реагирующего органа и переводит его в сработанное состояние. При снятии входного сигнала на вторичной обмотке формируется импульс положительной полярности, который переводит реагирующий орган и реле в исходное состояние.

На рисунке 13.4 приведена схема узла электрической системы 6 - 35кВ, модель которого смонтирована на лабораторном стенде. Сборные шины получают питание от системы по линии W1 через выключатель Q1. Потребители получают питание с шин по линиям W2 и W3, с выключателями соответственно Q2 и Q3. схемы дистанционного управления выключателями смонтированы на стенде. Тип ключей SA1, SA2, SA3 – КМОВФ. На рисунке 13.4 также указаны виды релейной защиты и автоматики, которыми оборудованы выключатели Q1, Q2, Q3. Рядом с ключом каждого выключателя установлены клеммы, подключённые к контактам ключа управления (9-10, 13-16, 17-20) и к вспомогательным контактам выключателей (1-2, 3-4). При возникновении двухфазного к.з. (замыкание клеммы А и С) срабатывает соответствующая максимальная токовая защита (МТЗ), которая отключает свой выключатель. Выключатель Q1 кроме МТЗ оборудован автоматическим повторным включением (АПВ), действующим после его отключения МТЗ.

При составлении схемы цепи несоответствия между положением ключа управления и положения управляемым этим ключом выключателя необходимо учитывать, что у ключа отсутствует контакты, которые находятся в замкнутом состоянии только в положении “Включено”. В связи с этим включают последовательно два контакта ключа с различными диаграммами. Контакты выбирают таким образом, чтобы полученная цепь была замкнута только в положении ключа “Включено”, что исключает ложную работу сигнализации при включении или отключении выключателя ключом управления.

Цепи несоответствия (рисунок 13.1) собираются в ходе выполнения работы и подключаются к шинке звуковой сигнализации аварийного отключения ЕНА и шинке питания цепей сигнализации +ЕН. Для сборки схемы предупредительной сигнализации необходимо контакты указательных реле подключить к общим точкам пар ламп, установленных в табло с соответствующими надписями, и к шинке питания цепей сигнализации +ЕН, а также подключить соответствующие контакты ключа опробования ламп SA4.

На рисунке 13.5 приведены принципиальные схемы дистанционного управления выключателями Q1, Q2, Q3. Здесь же показано подключение выходных цепей МТЗ и АПВ.

Рисунок 13.3

Порядок выполнения работы

1. Собрать схемы звуковой сигнализации аварийного отключения выключателей Q1, Q2, Q3 с центральным съёмом сигнала и светозвуковой предупредительной сигнализации с автоматическим съёмом звукового сигнала. См. рис. 13.1 и 13.2.

2. Путём снятия диаграммы ключей управления SA1, SA2, SA3 (контакты 9-10, 13-16, 17-20) выбрать требуемые контакты для схем сигнализации.

3. Среди вспомогательных контактов 1-2, 3-4 выключателей Q1, Q2, Q3 найти замыкающие и размыкающие.

Рисунок 13.4

Рисунок 13.5

4. Проставить на схемах сигнализации номера контактов ключей управления SA1, SA2, SA3, ключа опробования ламп SA4, вспомогательных контактов выключателей Q1, Q2, Q3 и контактов указательных реле.

5. Собрать цепи несоответствия (рисунок 13.1) и подключить к шинам +ЕН и ЕНА.

6. Подключить контакты указательных реле МТЗ, АПВ, защит от замыканий на землю и контакты ключа SA4 к соответствующим шинам (рисунок 13.2).

7. Проверить кнопкой опробования исправность звуковой сигнализации аварийного отключения и ключом опробования SA4 – работу светозвуковой предупредительной сигнализации.

8. Проверить работу светозвуковой сигнализации при срабатывании МТЗ, АПВ и защит от замыканий на землю.

Содержание отчёта

1. Цель работы.

2. Схемы аварийной и предупредительной сигнализации.

3. Диаграммы ключей управления и ключа опробования ламп.

4. Предложения студента по применению новых схемных решений, новой элементной базы и т.д. для дальнейшего совершенствования схем светозвуковой сигнализации.

5. Выводы по результатам выполненной работы.

Контрольные вопросы

1. Какие виды сигнализации применяются на подстанциях и электрических станциях?

2. Назначение различных видов сигнализации?

3. Требование к схемам сигнализации?

4. Какими схемными решениями обеспечивается выполнение требований к схемам сигнализации?

5. Какие принципы получения сигнала на срабатывание сигнализации применяются в схемах сигнализации?

6. Принцип действия РИС?

7. С какой целью выполняется опробование ламп?

8. Принцип действия РТД?

9. Принцип получения задержки времени на срабатывание при включении питания реле РТД.

Лабораторная работа №14

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Общие сведения

В вакуумных выключателях контакты расходятся в среде с давлением 10^{-6 мм рт. ст. При таком вакууме дугогасительный промежуток имеет очень высокую электрическую прочность - приблизительно 30 кВ/мм,что создает возможность гашения дуги без дутьевого устройства за время 0,01-0,02 с. Все это дает возможность создать выключатели с малым износом контактов, которые работают при минимальном техническом обслуживании на протяжении нескольких десятков лет. Это определяет перспективность развития и широкого применения вакуумных выключателей. Ионы, которые образуются под действием высокой температуры, двигаются к электродам, создавая вблизи их соответствующие объемные заряды. Поток электронов направляется к аноду и производит его бомбардировку. Высвобождаемые из анода позитивные ионы двигаются к катоду и разрушают его. Эти процессы определяют срок службы контактов.}

Следует отметить, что высокие значения напряженности электрического поля являются также причиной возникновения дуги в вакууме благодаря автоэлектронной эмиссии.

Малая плотность среды обусловливает очень высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разницы плотностей частиц в разряде и в вакууме. Быстрая диффузия частиц, высокая электрическая прочность вакуума позволяют эффективно гасить дугу в вакуумном выключателе.

Для работы вакуумного выключателя имеет большое значение дегазация контактов, потому что адсорбированные ими газы при разогреве выделяются и ухудшают вакуум. С целью удаления газовых включений из контактов их, перед монтажом, нагревают на протяжении нескольких часов до красного каления.

При работе выключателя распыленные материалы контактов осаждаются на поверхности изоляционного цилиндра, что создает возможность перекрытия изоляции. Для защиты цилиндра от паров металла электроды защищаются специальными металлическими экранами 8, 9 (рис. 14.1). При отсутствии экранов электрон, разгоняясь в электрическом поле по длинному пути, приобретает высокую энергию и при столкновении с молекулой может вызывать ее ионизацию. Благодаря экранам 8 и 9 электрическое поле разбито на два небольших участка. Возможность перекрытия внутри камеры резко снижается.

При переменном токе после прохождения тока через нуль происходит быстрое рассасывание зарядов в результате диффузии, и через 10 мкс между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Быстрое нарастание электрической прочности промежутка после прохождения тока через нуль является большим достоинством вакуумных выключателей.

Для вакуумной дуги характерный обрыв (срез) тока при подходе к нулевому значению. При уменьшении тока падает давление паров металла, дуга становится неустойчивой и гаснет. Резкие уменьшения тока могут вызывать перенапряжения, опасные для отключаемого оборудования. Ток среза зависит как от параметров отключаемой цепи, так и от свойств материала контактов. Вольфрам обладает устойчивостью к свариванию и износу, но имеет большое электрическое сопротивление. Эти противоречия устраняются, если часть контактной поверхности выполнена из дугостойкого металла (молибден), а другая часть - из материала с высоким давлением паров (сурьма). Хорошие результаты дает специальная металлокерамика. Наличие вакуума ухудшает охлаждение контактов. Однако за счет увеличения размеров подводящих шин 12(см. рис. 14.1), усовершенствования конструкции ДУ и подбора контактных материалов удается довести допустимые длительные токи до необходимых значений.

В вакуумной дугогасительной камере контактный стержень 4 с контактным наконечником 1 жестко укреплен в металлическом фланце 6 пластмассового корпуса 10. Контактный стержень подвижного контакта 5 связан с сильфоном 7, выполненным из нержавеющей стали. Сильфон 6 представляет собой эластичную цилиндрическую гармошку. Поэтому стержень 5 имеет возможность осевого перемещения. Наружная полость сильфона связана с атмосферой, поэтому подвижный контакт 3 нажимает на неподвижный контакт 1 с силой, ровной произведению площади сильфона S_c на атмосферное давление. Допустим S_c = 100 см², тогда контактное нажатие 1000 Н, что достаточно для пропускания небольшого номинального тока. При больших номинальных токах и для получения необходимой динамической стойкости ставится дополнительная пластинчатая пружина 2, что создает необходимое нажатие контактов. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля между контактами с целью повышения электрической прочности. Экран 8 защищает также изоляцию 10 от напыления парами металла, образующихся при гашении дуги. Касание контактов происходит по всей поверхности (в шести точках), что позволяет снизить переходное сопротивление и уменьшить их температуру. Следует отметить, что тепло, выделяемое в контактах и контактных стержнях, отводится в основном теплопроводностью к нижнему фланцу и шинам 12, соединенным с контактами 3 и 1. Из-за высокого вакуума отдача тепла в радиальном направлении идет только за счет излучения.

..

Рисунок 14.1 – Вакуумный выключатель

І – ток отключения

X – ход контактов

n–концентрация

ионизированных паров металла в межконтактном промежутке

U – напряжение на промежутке

U_Д – напряжение на дуге

U_В – восстанавливающееся

напряжение

t₀ – момент подачи команды

на отключение

Рисунок 14.2 – Типичные осциллограммы отключения

Переменного тока в вакууме

а) б)

Рисунок 14.3 – Контактные системы:

а) RMF (radіal magnetіc fіeld) радиальная;

б) AMF (axіal magnetіc fіeld) аксиальная.

При расхождении контактов в вакуумной камере возникает электрическая дуга, представляющая собой проводящую среду из паров металла контактов. Для токов отключения до 10 кА дуга равномерно распределена по поверхности контактов, то есть имеется случай, так называемой, диффузной вакуумной дуги. При более высоких токах, из-за пинч-эффекта, дуга в вакуумной камере сосредоточена в точке. С целью исключения термических перегрузок контактов при токах КЗ до 50 кА была изобретена, так называемая, контактная система с радиальным магнитным полем или RMF-система. RMF контактная система устроена таким образом, что магнитное поле через искусственное сужение контактного стержня 6 в месте 5 наблюдается искривление элементарной линии тока и, со следующим расширением на контактной поверхности 3, то есть на участке abc образуется виток с током (радиусом R), что по закону электротехники создает центробежные электродинамические усилия. На виде сверху электрический ток находится в точке b на рис.3-а, но потому что контакт имеет специальную форму, путь радиального перемещения тока отсутствует и он перемещается в сторону меньшего сопротивления (точки b1, b2, b3 ...), то есть дуга в пространстве вращается. За счет этого, уменьшается выброс паров металла, потому что электрод не успевает нагреться и испариться, что способствует гашению дуги. Эксплуатационные требования гашения дуги в вакуумной среде при токах КЗ более чем 50 кА дали толчок к изобретению камеры с аксиальным магнитным полем или АMF-системы, что является особенным видом контактной системы. Идея АMF состоит в наличии одного витка в структуре контакта выключателя, который создается с помощью сквозных пропилов, выполненных по винтовой линии ab (рис. 14.3-б). Поэтому элементарный ток и перемещается по винтовой линии. По правилу правой руки этот ток образует поле Ф направленное наверх. По правилу левой руки элементарный ток i взаимодействует с полем Ф и образуются силы F направленные от центра проводника к периферии (аксиальное поле). Диаметр контакта выбирается в зависимости от тока (см. формулу 1) и при оптимальных размерах контактной пары ток имеет одинаковую плотность по всей поверхности. Удельный ток на элементарную поверхность уменьшается, то есть выброс паров металла уменьшается, что также способствует гашению дуги.

Для оптимального использования поверхности, контакт рассчитан методом приближения и имеет такую конструкцию, что аксиальные компоненты магнитной индукции контакта составляют от 3,5 до 5 .

Диапазон отключающих способностей АMF-контакта зависит от диаметра контакта и определяется как:

,

где - максимальный ток отключения в кА,

- диаметр контакта в мм.

Например, при контакте диаметром 100 мм возможно отключение тока до 72 кА. При последующем увеличении диаметра контактов можно достичь более высоких значений отключаемого тока.

Рисунок 14.4 – Зависимость тока выключения от диаметра AMF - контактов

Следует отметить, что метод гашения дуги в вакуумной среде с помощью АMF-контактов можно использовать для гашения несинусоидальных токов.

Благодаря преимуществам принципа гашения дуги в вакууме, вакуумные выключатели превосходят по своему техническому уровню другие, а система АMF-контактов представляет собой самый экономичный на сегодняшний день принцип гашения.

Горение дуги в вакуумной камере при отключении тока основано на проводящей среде паров металла контактов, которая еще до полного расхождения контактов конденсируется на протяжении нескольких микросекунд и диэлектрическая прочность вакуума возобновляется полностью. Это явление в значительной мере обеспечивается тем, что энергия горения дуги паров металла из специально подобранных сплавов контактных материалов, в вакууме мала.

Рисунок 14.5 – Энергия дуги