Лекция № 6. Коммутационные и защитные аппараты высокого напряжения.
Оглавление
6. 1 Разъединители, отделители, короткозамыкатели. 1
6.2. Защитные и токоограничивающие аппараты.. 4
6. 1 Разъединители, отделители, короткозамыкатели
Как отмечалось выше, разъединители служат лишь для коммутации обесточенных цепей в целях проведения ремонта или ревизии АВН, а также для выполнения переключений РУ на резервное питание. При проведении ревизии или ремонта того или иного электротехнического оборудования на высоком напряжении необходимо после отключения тока в данной цепи произвести отключение данного объекта с обеих сторон с созданием видимого разрыва цепи. Кроме того, объект с обеих сторон заземляется либо переносными заземлителями, либо заземлитель предусмотрен в конструкции разъединителя и сблокирован с механизмом привода ножа разъединителя. Исходя из задачи обеспечения безопасности обслуживающего персонала при проведении работ на линии, а также осуществления бесперебойного электроснабжения потребителей, разъединитель должен отвечать следующим требованиям:
- обеспечивать видимый разрыв тока в цепи при отключении;
- быть термически и электродинамически устойчив;
- иметь требуемый уровень изоляции при любых атмосферных условиях;
- иметь простую и надёжную конструкцию с учётом самых тяжёлых условий работы (обледенение, ветровые нагрузки).
Поэтому разъединитель имеет таким образом организованную изоляцию, что при появлении недопустимо большого напряжения на полюсе отключённого разъединителя пробой должен произойти между полюсом и землёй по его опорной изоляции, а не между разведёнными ножами. Разъединители наружной установки, как правило, имеют заземлители и могут снабжаться дугогасительными рогами для гашения емкостных токов и приспособлениями, разрушающими корку льда.Большое разнообразие условий эксплуатации электроустановок определяет и конструктивные различия разъединителей. На рисунке 6.1а показан разъединитель на 220 кВ с опорно-стержневыми изоляторами, а на Рис. 6.1б. изображён чертёж элегазового разъединителя на напряжение 362 кВ.
Рис. 6.1а Разъединитель 220 кВ с опорно-стержневыми изоляторами
Рис. 6.1б. Разъединитель шинный на 362 кВ:
1 – резервуар; 2- изолятор; 3 – неподвижный контакт; 4 – подвижный контакт; 5 – тяга; 6 – заземлитель
Отделители и короткозамыкатели устанавливаются на стороне высшего напряжения в менее ответственных РУ в целях экономии капитальных затрат и места (см. рисунок 6.2 и рисунок 6.3). Выключатели при этом предусматриваются только на стороне низшего напряжения.
Рис. 6.2 Отделитель на напряжение 220 кВ
Рис. 6.3 Короткозамыкатель на напряжение 110 кВ
При повреждении внутренней изоляции силового трансформатора с повышенным газовыделением внутри бака или действием дифференциальной защиты происходит срабатывание выходных реле защит. Срабатывание этих реле даёт команду на автоматическое включение короткозамыкателя, провоцирующего действительное К.З. на стороне высшего напряжения. В цепи протекания тока К.З. короткозамыкателя установлены трансформаторы тока, которые дают команду о чрезмерном токе в систему релейной защиты трансформатора. После отключения, искусственно созданного К.З. линейным выключателем, часто находящимся на значительном удалении от данного РУ, исчезновение тока К.З. даёт команду на отключение отделителя данного РУ. После чего в соответствии с режимом АПВ питание линии вновь возобновляется, т.е. обеспечивается отключение трансформатора в аварийном состоянии без использования выключателя на стороне высшего напряжения. Отключение короткозамыкателя осуществляется приводом, включение — с помощью взведённых пружин. Отделитель отключается автоматически, включается вручную для исключения возможности ошибочного автоматического включения при не отключённом короткозамыкателе.
6.2. Защитные и токоограничивающие аппараты
Для защиты изоляционных конструкций РУ от грозовых и коммутационных перенапряжений применяются разрядники и нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН). Изменение напряжения и тока сопровождения на разряднике при его пробое (срабатывании) показано на рисунке 6.4, а.
Рис. 6.4 Изменение тока и напряжения на разряднике при его пробое (а); электрическая схема соединения искровых промежутков (б)
Основными элементами вентильных разрядников являются искровые промежутки, последовательно соединённые с резистором, имеющим нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ). В некоторых разрядниках параллельно искровым промежуткам 2, 3 присоединяются шунтирующие резисторы 1 (линейные) и конденсаторы, дающие возможность управлять распределением напряжений различной длительности по искровым промежуткам (рис. 6.4, б).
На рисунке 6.5 представлен вентильный разрядник на напряжение 33 кВ, состоящий из фарфоровой покрышки 1, колонки нелинейных резисторов из вилита 2 и блока последовательно соединенных искровых промежутков 3.
Рис. 6.5 Вентильный разрядник Рис. 6.6 Нелинейный ограничитель
перенапряжений
Конструкция ОПН показана на рисунке 6.6. Основными элементами ОПН являются фарфоровый корпус 2, фланцы 4, имеющие устройство 3, обеспечивающее герметичность, наружный тороидальный экран 6 с держателями 5, обеспечивающий выравнивание распределения напряжения по варисторам 7. Варисторы имеют внутреннюю полость 1, служащую для сброса избыточного давления при аварийном режиме через клапан взрывобезопасности 3. Тепловая прослойка 8, передающая избыток теплоты от варисторов на корпус, одновременно используется для крепления варисторов 7. В последнее время для изготовления корпусов ОПН стали применять полимерные материалы, например стеклопластик, что позволяет существенно снизить массу аппаратов и упростить конструкцию ОПН.
Одним из основных недостатков вентильных разрядников является высокое значение коэффициента нелинейности материалов (тервита и вилита) 
= (0,2—0,4), а также нестабильность напряжений пробоя. Поэтому значительный прогресс был достигнут после разработки новых оксидно-цинковых варисторов с коэффициентом нелинейности 
= 0,02. Это позволило разработать аппараты защиты без искровых промежутков. При рабочем напряжении токи через варисторы составляют миллиамперы, а при перенапряжениях соответственно сотни и тысячи ампер.Ограничитель перенапряжений подсоединён к сети в течение всего срока службы. Поэтому через варисторы непрерывно протекает ток. Ограничитель сохраняет работоспособность до тех пор, пока воздействием рабочего напряжения и импульсов перенапряжений активная составляющая тока не превысит некоторого критического значения, при котором нарушается тепловое равновесие аппарата.Поглощение ограничителем энергии из сети предшествует повышению перенапряжения. Кратность ограничения перенапряжений ОПН имеет порядок 1,75 (для коммутационных) и соответственно 2,42—1,8 (для грозовых), что значительно ниже, чем для вентильных разрядников, и, самое главное, обеспечивается стабильность этого коэффициента.
Токоограничивающим реактором называется электрический аппарат, выполненный в виде катушки неизменной индуктивности, предназначенный для ограничения токов К.З. и поддержания напряжения на шинах РУ в аварийном режиме. Откуда следует, что при возникновении К.З. на одной из отходящих линий низкого напряжения ток К.З. будет ограничиваться реактивными сопротивлениями генератора Хг и реактора Xт:
Iк = Uном / 
(Xг + Xр) (6.1)
Обычно реактивное сопротивление реактора выражают в процентах:
Xр% = Iном. р Xр 
100 / Uном (6.2)
Ток генератора много больше номинального тока отходящих линий, при этом Xр >> Х г. Таким образом, реально реактивное сопротивление реактора ограничивает уровень ожидаемого тока КЗ. Использование реактора позволяет выбрать коммутационную аппаратуру на более лёгкие режимы по номинальному току отключения и токам термической и динамической стойкости. Как известно, в номинальном режиме на реакторе будут наблюдаться постоянные потери напряжения. Поэтому увеличение индуктивного сопротивления реактора Xр% приводит к росту дополнительных потерь напряжения на нем. Увеличение индуктивности позволит более глубоко ограничить ток КЗ и использовать в сети более простые и дешёвые аппараты. Используя критерий минимума затрат для РУ в целом, можно выбрать реактор с оптимальными электрическими параметрами. Для обеспечения линейности вольт-амперных характеристик реактора применяются конструкции без ферромагнитного магнитопровода. Наиболее просты и дешёвые конструкции сухих бетонных реакторов. На рисунке 6.7 представлена конструкция однофазного бетонного реактора
Рис.6.7. Однофазный бетонный реактор
Многожильный кабель 1 (медный или алюминиевый) при изготовлении заливается в специальные формы и крепится при помощи бетонных стоек-колонн 2. Основания колонн крепятся к опорным изоляторам 3. Для повышения электрической прочности после отвердения бетон пропитывается специальным лаком. Между витками катушки реактора имеются значительные расстояния, которые необходимы для снижения электродинамического усилия при КЗ и охлаждения реактора в номинальном режиме. Отдельные модули (фазные) реакторов могут располагаться вертикально и горизонтально, но обязательно в закрытых помещениях. К недостаткам реакторов кроме больших массы и габаритных размеров, следует отнести и создание значительных магнитных полей рассеяния.