Конструктивное выполнение распределительных устройств различных напряжений, типы конструкций и принцип действия основного электрооборудования: трансформаторы и автотрансформаторы, выключатели.

Распределительные устройства (РУ) содержат в себе коммутационные аппараты, устройства защиты, автоматики, электроизмерительные приборы. Распределительные устройства подразделяются по напряжению до 1000 и выше 1000 В.
В распределительных устройствах напряжением до 1000 В провода, шины, аппараты, приборы и конструкции выбирают как по нормальным условиям работы (напряжению, току, классу точности), так и при термических и динамических воздействиях токов короткого замыкания или предельно допустимых значениях отключаемой мощности.
Необходимо, чтобы вибрация, появляющаяся во время работы аппаратов, а также сотрясения от внешних воздействий не влияли на работу распределительных устройств, не нарушали контактных соединений и не вызывали разрегулировки аппаратов и приборов. Неподвижно установленные фазы аппаратов следует монтировать на расстоянии не менее 20 мм по поверхности изоляции и 12 мм по воздуху от неизолированных токоведуших частей разных фаз, а также от неизолированных нетоковедущих металлических частей. Не допускается применение гигроскопических изоляционных материалов, таких, как асбестоцемент, картон, мрамор и другие, в открытых установках и в устройствах, устанавливаемых в сырых и особо сырых помещениях.
В распределительных устройствах и подстанциях напряжением выше 1000 В расстояния между электрооборудованием, аппаратами, токоведущими частями, изоляторами, ограждениями, конструкциями и т. п. устанавливаются таким образом, чтобы при нормальном режиме работы электроустановки возникающие физические явления (усилия, нагрев, электрическая дуга, искрение, выброс газов и др. ) не могли привести к повреждению оборудования и возникновению короткого замыкания.
В тех случаях, когда РУ и подстанция расположены в местах, где в окружающей атмосфере могут находиться ухудшающие работу изоляции вещества или, более того, эти вещества будут способствовать разрушению оборудования и шин, должны быть приняты меры, обеспечивающие надежную работу электроустановки. К таким мероприятиям относятся: применение шин из материала, стойкого к воздействию окружающей среды, нанесение защитного покрытия, применение усиленной изоляции и т. д.
Металлические конструкции, подземные части металлических и железобетонных конструкций должны быть защищены от коррозии.
Электропроводка цепей защиты, измерений, сигнализации, автоматики, освещения, проложенная по электротехническим устройствам с масляным наполнением, выполняется проводами и кабелями с маслостойкой изоляцией и покрытием.
Помещения, в которых используются кислотные аккумуляторные батареи с зарядкой их на напряжение более 2,3 В на элемент, относятся к взрывоопасным помещениям класса В-Іа. Учитывая это, выбор электронагревательных устройств, светильников и электродвигателей для вентиляции следует производить так же, как для помещений со взрывоопасной средой.
Распределительные устройства напряжением 3 кВ и выше должны быть оборудованы оперативной блокировкой, которая исключала бы возможность включения выключателей, отделителей и разъединителей; отключения и включения отделителями и разъединителями тока нагрузки, а также подсоединения заземляющих ножей к шинам, находящимся под напряжением.
На заземляющих ножах линейных разъединителей допускается установка только механической блокировки с приводом разъединителя и приспособлением для запирания заземляющих ножей замками в отключенном положении.
Для РУ с простыми схемами электрических соединений рекомендуется применять механическую оперативную блокировку, а во всех остальных случаях - электромагнитную.
При расположении основного оборудования на открытом воздуxe распределительные устройства называются открытыми (ОРУ), а если распределительные устройства находятся в здании - закрытыми (ЗРУ).
При установке электрооборудования распределительных устройств на открытом воздухе в шкафах предусматривается местный подогрев для обеспечения нормальной работы аппаратов, оборудования, реле и измерительных приборов. Все аппараты устройства располагаются на спланированной площадке на высоте не менее 0,2 м от уровня пола.
Открытые распределительные устройства значительно дешевле закрытых, так как они не требуют строительства специальных помещений для аппаратов, приборов и т. д. Однако оборудование, аппараты и конструкции ОРУ, постоянно находящиеся на воздухе и подвергающиеся атмосферным воздействиям, работают в более тяжелых условиях, требуют более частого осмотра и большего внимания при эксплуатации. Кроме того, в этом случае устанавливается более дорогое оборудование - каплезащищенное или со специальным кожухом, исключающим попадание внутрь водяных брызг от дождя и снега.
В зависимости от назначения комплектные электротехнические устройства делятся на: комплектные распределительные устройства КРУ, комплектные трансформаторные подстанции КТО и комплектные токопроводы.
По конструктивному исполнению они бывают выдвижного (выкатного) типа, в которых основной коммутационный аппарат размещен на тележке, и стационарные, когда основной коммутационный аппарат смонтирован в корпусе шкафа.
По условиям обслуживания их разделяют на две группы: одностороннего обслуживания, т. е. устанавливаемые вплотную к стене, и двустороннего обслуживания, когда к устройству можно подойти с любой стороны.
По защищенности токоведущих частей они могут быть защищенного и открытого исполнения.
По конструкции линейного вывода - с кабельными и воздушными выводами. По роду оперативного тока на постоянном токе (с электромагнитными приводами) и на переменном токе (с пружинными приводами).
По условиям эксплуатации - водобрызгокаплезащищенное, пылезащищенное, герметичное и взрывозащищенное.
Комплектные электротехнические устройства, кроме того, различаются по номинальному напряжению, номинальному току, типу выключателя и привода к нему, схемам первичных и вторичных соединений, производственной серии и другим показателям.
Комплектное распределительное устройство КРУ - защищенное электротехническое устройство, предназначенное для приема и распределения электроэнергии, состоящее из шкафов со встроенными в них аппаратами для коммутации, управления, измерения, защиты и регулирования. Комплектное распределительное устройство поставляется в собранном или полностью подготовленном для сборки виде.
Шкаф КРУ представляет собой жесткую металлическую конструкцию, которая защищает персонал от случайного соприкосновения с токоведущими и подвижными частями, заключенными в оболочки, и оборудование от попадания твердых инородных тел. В него встроены аппараты для коммутации, управления, измерения, защиты и регулирования совместно с их несущими конструкциями, электрическими соединениями и вспомогательными элементами. Если кроме стационарной части шкаф имеет выдвижной элемент (тележку), на нем устанавливают аппараты и приборы, которые при необходимости можно передвинуть. Комплектное распределительное устройство наружной установки КРУН - устройство, предназначенное для работы вне помещений или сооружений.
Применение комплектных электротехнических устройств по сравнению с обычными конструкциями электротехнических установок дает возможность: значительно уменьшить объемы строительно-монтажных работ и сократить сроки их выполнения при расширении или реконструкции; получить большую экономию затрат труда;
улучшить качество электроустановок, а также увеличить надежность и безопасность их обслуживания, сократить эксплуатационные расходы.
Применение комплектных электротехнических устройств является основой индустриализации строительно-монтажных работ при сооружении распределительных устройств и подстанций промышленных предприятий.
В процессе эксплуатации распределительных устройств для определения различных электрических параметров применяются электроизмерительные приборы, которые должны удовлетворять следующим основным требованиям: класс точности щитовых показывающих и самопишущих приборов должен быть не ниже 2,5 (амперметры РУ, подстанций и неответственных потребителей могут иметь класс точности 4,0); пределы измерений установленных приборов следует выбирать с учетом возможных длительных отклонений измеряемых параметров от номинальных значений; на измерительных приборах должна быть нанесена красная черта - показатель предельно допустимых значений измеряемых величин; классы точности шунтов, добавочных резисторов и измерительных трансформаторов тока и напряжения должны быть не ниже определенных значений (так, для прибора класса 0,5 шунт, добавочный резистор и измерительный трансформатор должны иметь класс точности 0,2 - для прибора класса 1,0 и 1,5 - соответственно 0,5, а для прибора класса 2,5 - класс точности шунта и добавочного резистора должен быть равен 0,5, а измерительного трансформатора -1,0).
Проверка электроизмерительных приборов проводится в определенные сроки: щитовые приборы, служащие для наблюдения за режимом основного оборудования, проверяются один раз в 3 года, а остальные щитовые приборы - один раз в 5 лет.
Вскрывать, ремонтировать и корректировать электроизмерительные приборы цеховому персоналу не разрешается.

Принцип действия трансформатора.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей.

Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 2) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с.

E₁/E₂= ?₁/ ?₂.

Отношение э. д. с. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называетсякоэффициентом трансформации,

n = Е_вн/ E_нн= ?_вн/ ?_нн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁первичной обмотки к напряжению U₂вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U₁/U₂? ?₁/ ?₂

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемыйтоком холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I₁/I₂ ? U₂/U₁ или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂ ? ?₂/?₁. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

Назначение, устройство и принцип действия автотрансформаторов

В некоторых случаях бывает необходимо изменять напряжение в небольших пределах. Это проще всего сделать недвухобмоточными трансформаторами, а однообмоточными, называемыми автотрансформаторами. Если коэфициент трансформации мало отличается от единицы, то разница между величиной токов в первичной и во вторичной обмотках будет невелика. Что же произойдет, если объединить обе обмотки? Получится схема автотрансформатора (рис. 3).

Автотрансформаторы относят к трансформаторам специального назначения. Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и гальваническую связь.

В зависимости от включения обмоток автотрансформатора можно получить повышение или понижение напряжения.

Если присоединить источник переменного напряжения к точкам А и Х, то в сердечнике возникнет переменный магнитный поток. В каждом из витков обмотки будет индуктироваться ЭДС одной и той же величины. Очевидно, между точками а и Х возникнет ЭДС, равная ЭДС одного витка, умноженной на число витков, заключенных между точками а и Х.

Если присоединить к обмотке в точках a и Х какую-нибудь нагрузку, то вторичный ток I2 будет проходить по части обмотки и именно между точками a и Х. Но так как по этим же виткам проходит и первичный ток I1, то оба тока геометрически сложатся, и по участку aХ будет протекать очень небольшой по величине ток, определяемый разностью этих токов. Это позволяет часть обмотки сделать из провода малого сечения, чтобы сэкономить медь. Если принять во внимание, что этот участок составляет большую часть всех витков, то и экономия меди получается весьма ощутимой.

Таким образом, автотрансформаторы целесообразно использовать для незначительного понижения или повышения напряжения, когда в части обмотки, являющейся общей для обеих цепей автотрансформатора, устанавливается уменьшенный ток что позволяет выполнить ее более тонким проводом и сэкономить цветной металл. Одновременно с этим уменьшается расход стали на изготовление магнитопровода, сечение которого получается меньше, чем у трансформатора.

В электромагнитных преобразователях энергии - трансформаторах - передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется магнитным полем, энергия которого сосредоточена в магнитопроводе. В автотрансформаторах передача энергии осуществляется как магнитным полем, так и за счет электрической связи между первичной и вторичной обмотками.

Автотрансформаторы успешно конкурируют с двухобмоточными трансформаторами, когда их коэффициент трансформации - мало отличается от единицы и но более 1,5 - 2. При коэффициенте трансформации свыше 3 автотрансформаторы себя не оправдывают.

В конструктивном отношении автотрансформаторы практически не отличаются от трансформаторов. На стержнях магнитопровода располагаются две обмотки. Выводы берутся от двух обмоток и общей точки. Большинство деталей автотрансформатора в конструктивном отношении не отличаются от деталей трансформатора.