Лекция № 22 Разъединители, отделители, короткозамыкатели, реакторы

Разъединители служат для включения и отключения цепи высокого напряжения либо при токах, значительно меньше номинального, либо в случаях, когда отключается номинальный ток, но напряжение на контактах аппарата недостаточно для образования дуги.

Для внутренних установок, не подверженных воздействию атмосферы и напряжением не выше 20 кВ, применяются рубящие разъединители с движением подвижного контакта (ножа) в вертикальной плоскости.

На рис. 22.1 показан трёхполюсный разъединитель типа РВ на напряжение 10 кВ и ток 400 A, а на рис. 22.2 - в увеличенном масштабе его контактная система.

Рис. 22.1. Разъединитель типа РВ

Подвижный контакт 1 выполнен в виде двух параллельных шин. При КЗ электродинамическая сила прижимает шины 1 к стойкам неподвижного контакта 2. При номинальном токе контактное нажатие создается пружинами 3, которые воздействуют на подвижный контакт через стальные пластины 4.

Магнитный поток, создаваемый проходящим по шинам током, замыкается вокруг них и через стальные пластины 4. В системе возникают электродинамические силы такого направления, чтобы возросла энергия магнитного поля. При этом пластины приближаются к шинам 1 и попадают в зону более сильного магнитного поля. Создается сила Р, притягивающая стальные пластины к шинам и увеличивающая контактное нажатие.

Рис. 22.2. Контактная система разъединителя типа РВ

Для управления разъединителями типа РВ применяются рычажные системы с ручным или моторным приводом. В схемах ручного рычажного привода вал разъединителя имеет угол поворота 90⁰ а рычаг привода – 150⁰. Чтобы избежать отключения под действием электродинамических сил, во включенном положении механизм находится в положении, близком к мертвому (рис. 22.3) (шатун 1 и короткий рычаг 2 шарнира О располагаются почти на прямой).

Рис. 22.3. Рычажный привод разъединителя

Рычаг 3 фиксируется в отключенном и включенном положении с помощью стопоров. При токах более 3 кА рычаг 3 заменяется червячной передачей. Для дистанционного управления применяются электрические и пневматические приводы.

В пневматическом приводе (рис. 22.4) отсутствуют рычажные передачи и обеспечивается плавный ход контактов разъединителя.

Рис. 22.4. Пневматический привод разъединителя

Поршневой механизм 1, блок пневматических клапанов управления 2,3 и электромагниты управления 4 и 5 устанавливаются непосредственно на раме разъединителя. К нему подводятся трубопровод со сжатым воздухом 6 и цепи управления электромагнитами.

При подаче напряжения на обмотку электромагнита 4 срабатывает клапан включения 2. Верхний цилиндр включения поршневого механизма 1 разобщается с атмосферой. В это время нижний цилиндр 7 отключения через клапан отключения 3 связан с воздухом. Под действием сжатого воздуха верхний поршень поворачивает рычаг и связанный с ним вал разъединителя 8, что приводит к замыканию (размыканию) контактов.

Для наружной установки используются разъединители поворотного типа РНД. На рис. 22.5 показан разъединитель РНД3-1 на напряжение 220 кВ и ток 2 кА. На раме 1 смонтированы неподвижные изоляторы 2 и подвижные 3, которые могут вращаться вокруг своей вертикальной оси. С подвижным изолятором связаны контакты разъединителя в виде ножей 5, вращающихся в горизонтальной плоскости. Места сочленения подвижных деталей защищены кожухом 4. Для размыкания ножей 5 поворачивается правый изолятор 3, который с помощью тяги 8 поворачивает левый изолятор 3. При необходимости правый нож в положении «отключено» может быть заземлен с помощью дополнительного ножа 7, который вращается в вертикальной плоскости и замыкается с контактом 6. Благодаря механической блокировке заземление возможно тoлькo при отключенном положении ножей 5.

Рис. 22.5. Разъединитель типа РНДЗ-1

При напряжении свыше 330 кВ экономию плoщади распределительных устройств дают подвесные разъединители (рис. 22.6).

Неподвижный контакт 1 в виде кольца укреплен на изоляторе 2. В качестве опоры контакта 1 используются трансформаторы тока или напряжения.

Подвижный контакт 3 подвешен к гирлянде 4 подвесных изоляторов на стальных тросах 5.

Тросы 5 пропущены через блоки 6 на портале 7 и связаны с барабаном электролебёдки. Подвижный контакт 3 соединен с токоведущей трубой 9, неподвижный - с гибкой шиной 8 или с контактом аппарата.

Рис. 22.6. Подвесной разъединитель

При включении контакт 3 опускается вниз под действием груза, который создает контактное нажатие.

При отключении контакт 3 и груз поднимаются с помощью лебёдки. Разъединители разработаны на напряжения до 1150 кВ и длительные токи до 3,2 кА.

Блокировка разъединителей и выключателей служит для предотвращения неправильных действий оперативного персонала и возникновения возможных аварийных режимов.

Электромагнитная замковая блокировка представлена на рис. 22.7. Для операции с разъединителем ключ в виде электромагнита (рис. 22.7,а) вставлен в замок (рис. 22.7,б). Концы катушки 2 электромагнита выведены на штыревые контакты 3. Если выключатель отключен, то через его размыкающие блок-контакты и гнезда 4 подается напряжение на катушку 2. При нажатии на кольцо 1 якорь 5 опускается и под действием электромагнитной силы сцепляется с запирающим плунжером 6. При движении якоря 5 вверх он будет перемещать связанный с ним плунжер 6. Деталь 8 привода разъединителя будет освобождена, а штифты 7 войдут в паз А ключа, не допуская его снятия с замка. Разъединитель может включаться и выключаться только если ключ находится в замке. Вынимается ключ при отключенном состоянии выключателя, т.е. при отсутствии тока через разъединитель.

Рис. 22.7. Электромагнитная блокировка с ключом

Короткозамыкатель – это быстродействующий контактный аппарат, с помощью которого по сигналу релейной защиты создается искусственное КЗ сети.

Отделитель представляет собой разъединитель, который быстро (за 0,5 – 1 с) отключает обесточенную цепь после подачи команды на его привод.

На рис. 22.8 показан короткозамыкатель КЗ-110 на напряжение 110 кB.

Рис. 22.8. Короткозамыкатель

На стальной коробке 1 установлен опорный изолятор 2. В верху опорного изолятора расположен неподвижный контакт 3, находящийся под высоким напряжением. Подвижный заземленный контакт - нож 4 укреплен на валу 5 привода короткозамыкателя. Для создания необходимой прочности нож 4 имеет ребро жесткости 6. Основание 1 изолировано от земли и присоединяется к одному концу первичной обмотки трансформатора тока (позиция 3 на рис. 22.10), второй конец первичной обмотки ТТ заземлен. На вал 5 действует пружина привода, которая заводится в отключенном состоянии.

Для включения короткозамыкателя, подается команда на электромагнит привода, который освобождает защелку механизма. Под действием пружины нож перемещается в вертикальной плоскости вверх и заземляет контакт 3. Время включения короткозамыкателя 0,15 – 0,25 с.

В основу конструкции отделителя ОД-110У на напряжение 110 кВ (рис. 22.9) положен двухколонковый разъединитель с вращением ножей 1 в горизонтальной плоскости. Приведение в движение колонок 2 осуществляется пружинным приводом с электромагнитным управлением.

Рис. 22.9. Отделитель

Во включенном положении пружины привода заведены. При подаче команды на отключение, пружина освобождается, и контакты расходятся за время 0,4 - 0,5 c.

Схема релейной защиты при использовании отделителей и короткозамыкателей приведена на рис. 22.10.

Короткозамыкатель 1 имеет пружинный привод 4. Механизм расцепления 6 привода может срабатывать от реле максимального тока мгновенного действия 8 и независимого расцепителя 10. От трансформатора тока 3 питается электромагнит 9 расцепителя отделителя 2. Отделитель 2 отключается под действием пружины 5. При нормальной работе подстанции отделитель 2 включен, короткозамыкатель 1 отключен. При внутреннем повреждении трансформатора срабатывает реле дифференциальной защиты КА, или газовое реле . Промежуточное реле включает электромагнит независимого расцепителя 10. Короткозамыкатель 1 включается и через трансформатор тока 3 течет ток К3, который во вторичной обмотке ТТ включает электромагнит 9, якорь которого 11 заводит пружину 12. Схема находится в таком состоянии до тех пор, пока от своей защиты не отключится выключатель на стороне высокого напряжения 220 кВ (на схеме не показан).

Рис. 22.10. Схема релейной защиты при использовании

отделителей и короткозамыкателей

После отключения этого выключателя ток через короткозамыкатель 1 и в обмотке трансформатора 3 прекратится. Электромагнит 9 обесточится, его якорь освобождает защелку 7, и отделитель 2 размыкается. Такая схема применяется только тогда, когда выключатель отключается от замедленно действующей защиты. При быстродействующей защите линии применяются другие схемы.

Рассмотренные аппараты не обеспечивают достаточную надёжность работы при гололёде и сильных морозах. Для уменьшения времени срабатывания короткозамыкателя и времени отключения отделителя сокращают междуконтактное изоляционное расстояние, применяя элегазовую или вакуумную среду.

На рис. 22.11 представлен элегазовый короткозамыкатель на напряжение 110 кB.

В фарфоровом цилиндре 1 установлены контакты 2 и 3. Давление элегаза составляет 0,3 МПа. Привод подвижного контакта 3 осуществляется тягой 5. Стальной сильфон 4 обеспечивает герметизацию полосы цилиндра 1. Расстояние между контактами 85-110 мм. Время срабатывания в 4 - 5 раз меньше, чем у существующих короткозамыкателей открытого типа. Короткозамыкатель защищен от климатического воздействия окружающей среды.

Рис. 22.11. Элегазoвый кoрoткoзамыкатель

Выбор разъединителей

Номинальное напряжение разъединителя должно соответствовать номинальному напряжению высоковольтной сети.

Наибольший длительный ток нагрузки потребителя не должен превышать номинальное значение длительного тока разъединителя.

Ударный ток КЗ в месте установки разъединителя не должен превышать допустимую амплитуду ударного тока КЗ разъединителя. Ток термической стойкости в течение времени, гарантированный заводом-изготовителем, и ток КЗдолжны быть связаны соотношением

.

Внешние условия работы разъединителя должны соответствовать реальным условиям эксплуатации аппарата (скорость ветра, температура, гололёд).

Выбор короткозамыкателей и отделителей

Номинальное напряжение короткозамыкателя должно соответствовать номинальному значению напряжения сети. Динамическая и термическая стойкости короткозамыкателя должны соответствовать току КЗ в месте его установки. Время включения короткозамыкателя должно соответствовать требованиям схемы автоматики. Номинальные данные по току и напряжению выбираются так же, как и для разъединителя. Кроме того, время отключения должно соответствовать требованиям схемы автоматики.

Реакторы

Реактор - это электрический аппарат в виде катушки с неизменной индуктивностью для ограничения токов КЗ и поддержания напряжения на шинах при аварийном режиме.

Наиболее распространены бетонные реакторы. На рис. 22.12 представлен трёхфазный комплект таких реакторов.

Из многожильного провода 1 намотаны катушки реакторов А, В, С. Заливкой в специальные формы получаются бетонные вертикальные стойки колонны 2, которые скрепляют между собой отдельные витки катушки. Торцы колонн имеют шпильки с изоляторами 3, 4.

Для получения необоходимой прочности электрической изоляции после затвердевания бетона реактор подвергают сушке под вакуумом и пропитке влагостойким изоляционным лаком.

Между отдельными витками в ряду и между рядами выдерживается зазор , что улучшает охлаждение отдельных витков и повышает электрическую прочность изоляции.

При больших номинальных токах (более 400 А) применяется несколько параллельных ветвей. Для равномерного распределения тока по ветвям используется транспозиция витков. Все витки ветвей должны одинаково располагаться относительно оси реактора.

В качестве обмоточного провода применяется многожильный медный или алюминиевый кабель большого сечения. Кабель покрывается несколькими слоями кабельной бумаги толщиной и хлопчатобумажной оплёткой. Общая толщина изоляции примерноМаксимальная допустимая температура при длительном режиме – не вышепри КЗ – не выше

Рис. 22.12. Трехфазный комплект реакторов

Oхлаждение реакторов, как правило, естественное.

В трёхфазном комплекте (см. рис. 22.12) наибольшему нагреву подвергается верхний реактор, поскольку подходящий снизу воздух подогрет реакторами, расположенными ниже.

В распределительном устройстве предусмотрены каналы для охлаждающего воздуха.

Магнитное поле реактора замыкается вокруг обмотки. Ферромагнитные тела в этом поле создают дополнительные активные потери мощности, могут нагреваться до высоких температур. Для уменьшения потерь ферромагнитные детали удаляются от обмотки на расстояние, не меньше её внешнего радиуса.

Расстояние между реакторами определяется высотой опорных изоляторов. При больших токах в реакторах возникают электродинамические силы (рис. 22.13), которые могут разрушить изоляторы, работающие и на сжатие, и на разрыв.

В наиболее тяжелых условиях работают изоляторы верхнего реактора. Для уменьшения разрывающего усилия изменяют направления поля среднего реактора на обратное. Отталкивающее усилие становится притягивающим. Изменение направления поля среднего реактора достигается изменением направления его намотки относительно направления намотки крайних реакторов.

Рис. 22.13. Изменение во времени электродинамических усилий,

действующих между реакторами

Если пренебречь влиянием третьей фазы, то можно найти максимальное значение отталкивающей и притягивающей сил, действующих на изоляторы:

(22.1)

где ударный ток;

(22.2)

число витков реактора;

коэффициент, который берется по рис. 22.14.

Силы, действующие на каждый изолятор, равны:

(22.3)

где масса реактора;

число изоляторов;

g – ускорение свободного падения.

Бетонные реакторы применяются в закрытых распределительных устройствах при напряжении не выше 35 кВ. Недостатком их являются большие габаритные размеры и массы.

При напряжении более 35 кВ и для установки на открытой части подстанций применяются реакторы в масляном исполнении.

На рис. 22.15 в стальной бак 1 с трансформаторным маслом погружена обмотка 2. Применение масла позволяет уменьшить изоляционные расстояния между обмоткой и заземлёнными частями реактора и улучшить охлаждение обмотки за счёт конвекции масла. При этом масса и размеры аппарата уменьшаются.

Выводы обмотки присоединяются к контактам проходных изоляторов 4.

Переменный магнитный поток реактора замыкается по стенкам бака, что приводит к его нагреву до недопустимых температур из-за появления вихревых токов. Чтобы избежать этого, внутри бака 1 устанавливается короткозамкнутый виток в виде экрана 3. Такой виток увеличивает магнитное сопротивление цепи и, следовательно, уменьшает магнитный поток, замыкающийся через бак, и вызванные этим потоком потери на вихревые токи.

В настоящее время разработаны тороидальные реакторы на напряжение 110 кВ и выше. Они имеют более высокие технические и экономические показатели по сравнению с конструкцией на рис. 22.15.

Стремление к уменьшению потерь напряжения на реакторе в номинальном режиме, к упрощению и удешевлению распределительных устройств привело к созданию сдвоенных реакторов.

Рис. 22.14. К определению электродинамических усилий

между катушками

В сдвоенных реакторах (рис. 22.16) реакторы соседних ветвей сближены так, что между ними существует сильная магнитная связь. Совмещение в одном реакторе двух уменьшает габариты аппарата, удешевляет и упрощает распределительное устройство.

В номинальном режиме магнитные поля реакторов направлены встречно и оказывают размагничивающее действие друг на друга. В результате индуктивное сопротивление ветви падает. Соответственно уменьшается падение напряжения на реакторе.

Падение напряжения на ветви реактора при номинальном токе:

Чем больше коэффициент связи ветвей реактора k, тем меньше падение напряжения в ветви. Для увеличения коэффициента связи реакторы должны быть возможно ближе друг к другу.

При КЗ в одной из ветвей падение напряжения на реакторе определяется ее сопротивлением . Размагничивающее действие другой ветви, обтекаемой номинальным током, незначительно.

Рис. 22.15. Масляный реактор

Рис. 22.16. Включение сдвоенных реакторов

Если первая ветвь реактора разомкнута, а во второй проходит ток КЗ, то в реакторе первой ветви наводится дополнительная ЭДС, равная .

При одновременном КЗ в обоих отходящих от реактора ветвях между ними возникают большие электродинамические силы, т.к. реакторы близко расположены друг к другу, и возрастает ток КЗ, т.к. падает реактивное сопротивление ветвей.

Для ограничения перенапряжений и электродинамических сил коэффициент связи берется в пределах от 0,3 до 0,5.

Исследования показали, что бетонные сдвоенные реакторы без применения специальных мер подвержены разрушению при одновременном КЗ в обеих ветвях. На рис. 22.17 показана в разрезе левая половина такого реактора.

Рис. 22.17. Конструкция сдвоенного реактора

Стяжка реактора осуществляется с помощью металлических стержней 1 и стержней 2 из изоляционного материала. Катушка реактора уложена на изоляционных прокладках 3.

Векторы , обозначают силу взаимодействия витка с нижней частью реактора. Векторы- силы, действующие на виток со стороны верхней части реактора. Векторы без пометки являются результирующей силой.

Наибольшая отталкивающая сила действует на витки рядов 4 и 5, расположенные близко друг к другу. Для получения необходимой электродинамической стойкости близлежащие ряды ветвей реактора бандажируются стеклянной лентой, как это показано на рис. 22.17, в. Для снижения возможности одновременного КЗ обе ветви реактора не должны проходить близко друг к другу.

Основные параметры сдвоенного реактора:

• номинальный длительный ток каждой ветви;

• индуктивное сопротивление (%) одной ветви (при отсутствии тока в другой)

(22.5)

• коэффициент связи

(22.6)

• электродинамическая стойкость каждой ветви определяется усилиями, возникающими между витками каждой ветви и между ветвями соседних фаз. При одновременном КЗ на обеих ветвях одного реактора возникают усилия, разрывающие реактор, т.к. токи в ветвях направлены встречно. Обычно динамическая стойкость при таких повреждениях в 2-3 раза меньше, чем при КЗ в одной ветви;

• термическая стойкость одной ветви.