Выключатели нагрузки, отделители и короткозамыкатели
Выключатели нагрузки предназначены для замыкания и размыкания высоковольтных цепей под нагрузкой до 800 А. Для отключения токов КЗ в таких цепях используются предохранители обычного типа ПК с кварцевой засыпкой.
Выключатель нагрузки типа ВНП-16 на напряжение 10 кВ показан на рис. 1. На раме 12 смонтированы предохранители 11 (буква П в обозначении).
Рис. 1:
а — выключатель нагрузки типа ВНП-16; б — его дугогасительное устройство
Выключатель имеет ту же конструктивную базу, что и разъединитель рубящего типа. Контактная система состоит из трех подвижных двухполосных контактов 5 и трех неподвижных 2. Дугогасительное устройство (рис. 1, 6) состоит из дугогасительной камеры 3, подвижного 4 и неподвижного 8 дугогасительных контактов. Дугогасительная камера 3 имеет пластмассовый корпус в виде двух щек, стянутых между собой винтами 7 так, чтобы между ними не было зазора. Внутри корпуса находится два вкладыша 9 и 9′ из газогенерирующего вещества. На подвижных контактах 5 закреплены с помощью стальных полос 6 согнутые по форме щели дугогасительной камеры медные подвижные дугогасительные контакты 4. На опорном изоляторе 10 закреплены неподвижные главный контакт 2 и дугогасительный 8. При включенном выключателе рабочий ток проходит через главные контакты 2 и 5.
При отключении поворачивается вал выключателя с приваренными к нему рычагами, связанными с подвижными контактами 5 через фарфоровые тяги. На концах вала установлены по две отключающие пружины 1, которые обеспечивают необходимую скорость отключения после освобождения механизма свободного расцепления привода. Первыми при отключении расходятся главные контакты 2 и 5, затем — дугогасительные 4 и 8. между дугогасительными контактами образуется дуга, вызывающая выделение газов из газогенерирующего вещества вкладышей. Газы устремляются наружу через зазоры между подвижными контактами и стенками вкладыша. Выход газов затруднен, и давление внутри камеры повышается. Поток газов под давлением гасит дугу в течение нескольких сотых долей секунды.
Рама 12 с предохранителями может быть смонтирована как в верхней, так с нижней стороны выключателя нагрузки. В каждом предохранителе есть указатель срабатывания, действующий при перегорании плавкой вставки. У выключателя ВНП-17 при перегорании вставки предохранителя освобождается защелка, удерживающая заведенную при включении пружину блок-контакта, в результате чего блок-контакт замыкает цепь отключающего электромагнита. Устройство для подачи команды на отключающий электромагнит состоит из рычажной системы, на которую воздействует указатель срабатывания предохранителя, и контактной группы.
Выключатель нагрузки могут иметь заземляющие ножи, устанавливаемыми со стороны, противоположной креплению предохранителей.
На напряжение 110-220 кВ применяются элегазовые выключатели нагрузки серии ВНЭ.
Отделители предназначены для автоматического отключения участка электрической цепи в период бестоковой паузы между отключением цепи выключателем и его повторным включением. Отключение отделителя производится за счет усилия отключающей пружины, а включение — вручную. Отделителями можно отключать небольшие токи, отключение которых не представляет опасности. Перечислены цепи, которые в соответствии с «Правилами эксплуатации электроустановок потребителей» разрешается отключать и включать разъединителями. Эти же цепи разрешается отключать и включать отделителями.
На рис. 2 показаны отделители ОД—110/630 (рис. 2, а) на напряжение 110 кВ с номинальным током 630 А и ОДЗ-2-35/630 (рис. 2, в) на напряжение 35 кВ с двумя заземляющими ножами. Конструктивно отделители представляют собой двухколонковые разъединители, не имеющие отключающую пружину 5, закрытую сверху кожухом. Другим их отличием от разъединителей является увеличенное расстояние между фазами при установке полюсов на общей раме 7. Стержневые изоляторы 4 с подвижными ножами 1 и 3, закреплены в подшипниках 6. На ноже 1 укреплены медные контактные ламели 2. Для управления главными ножами отделителей используется привод 10 одностороннего действия типа ШПОМ или ПРО-1У1, который связан с ведущей колонкой через тягу 9 и рычаг 8. Для управления заземляющими ножами 13 (рис. 2, в) используется привод ПР-У1, связанный трубчатой тягой 12 с другой колонкой отделителя.
Привод для управления главными ножами отделителя (рис. 2, б) представляет собой шкаф 10, внутри него находится механизм, за базу которого принят пружинный привод выключателя. При включении отделителя вал 11 стремится под действием пружины отделителя повернуться против часовой стрелки. Этому повороту препятствует защелка 14. Для отключения необходимо замкнуть цепь отключающего электромагнита 2 ключом управления или использовать блокирующее реле 3. Электромагниты 2 и 3 воздействуют на планку 1, которая поворачивается и нажимает на удерживающую стойку 12, на которую опирается планка 10 серповидного рычага 9. Последний имеет достаточную массу, чтобы при падении ударить по нижнему концу запирающей защелки 14 с силой, достаточной для ее поворота и освобождения рычага 13, жестко соединенного с валом П. Освобождение вала 11 приводит к отключению отделителя с помощью его отключающей пружины.
Рис. 2. Отделители типа: а — ОД-110; б — ОДЗ-2-35; в — привод для их управления
Для включения отделителя на конец вала 4 квадратного сечения надевают рукоятку привода и поворачивают ее до отказа против часовой стрелки, а затем, вращая рукоятку по часовой стрелке, рычагом 8 захватывается рычаг 13, который в конце хода запирается защелкой 14. Вместе с рычагом 13 поворачивается вал 11 и включается отделитель. Одновременно происходит поворот рычага 5, который с помощью тяги 6, упирающейся в планку 7, поднимает серповидный рычаг 9. Последний защелкивается роликом удерживающей стойки 12 в верхнем положении.
Короткозамыкатели предназначены для создания искусственного короткого замыкания в сетях 35 кВ и выше, когда ток при повреждении в трансформаторе недостаточен для срабатывания релейной защиты, питающей его линии.
Короткозамыкатели и отделители выполняют совместно роль выключателей на стороне высшего напряжения трансформатора. Стоимость короткозамыкателя и отделителя значительно ниже стоимости выключателя, который они заменяют, поэтому большая часть промежуточных и тупиковых подстанций не имеют выключателей на стороне высшего напряжения.
Короткозамыкатели типа КЗ-110 и КЗ-220 на напряжения 110 и 220 кВ выполняются в виде однополюсных аппаратов, а типа КРН-35У1 на напряжение 35 кВ — в виде двух отдельных полюсов, соединяемых при монтаже в один двухполюсный аппарат. При включении КРН-35 происходит двухфазное короткое замыкание на землю, а при включении КЗ-110 или КЗ-220 — однофазное КЗ на землю.
На рис. 3 показаны короткозамыкатели КЗ-110 (рис. 3, а) и КРН-35 (рис. 3, б). Конструктивно они отличаются габаритами и незначительными деталями. На изоляторах 5 располагается рама с установленным на ней колонкой стержневого изолятора 3. На колонке укреплен неподвижный контакт 4 с экранирующим кольцом (КЗ-110). Подвижный контактный нож выполняется из стальной трубы, имеющей ребро жесткости и оканчивающейся вверху медным контактом. Контактный нож через тягу с изолирующей вставкой 2 связан с приводом 1, который служит для управления короткозамыкателем. С другой стороны нож связан с включающим пружинным механизмом, помещенным внутри рамы. Рама и нож электрически соединены гибкой связью, продолжением которой является заземляющая шина, пропущенная через окно сердечника трансформатора тока 6 типа ТШЛ-0,5.
Неподвижный контакт 4 снабжен выводами для присоединения к фазе электрической цепи. При замыкании контактного ножа с контактом 4 происходит соединение фазы с землей через контакты короткозамыкателя, гибкую связь, заземляющую шину и трансформатор тока 6. Возникает искусственное КЗ.
Кинематическая схема привода короткозамыкателя принципиально не отличается от привода отделителя (рис. 2, б). Основное отличие в том, что привод предназначен для удержания короткозамыкателя в отключенном состоянии. Вместо привода ШПКМ, который встречается в электроустановках старой конструкции, применяется привод ПРК-1У1, имеющий три токовых реле РТМ и один электромагнит включения.
Рис. 3. Короткозамыкатели типа: а — КЗ-110; б — КРН-35
Схема совместного действия короткозамыкателя и отделителя изображена на рис. 4. Во включенном положении отделитель QR удерживается защелкой с пружиной в приводе отделителя. Короткозамыкатель QN удерживается в отключенном положении защелкой, которая препятствует включающей пружине. Питание трансформатора Тх осуществляется через QR от ЛЭП-110 кВ с выключателем Q на районной подстанции, имеющей трансформатор Тг.
При КЗ внутри трансформатора Г, по трансформатору тока ТА, протекает ток, необходимый для наведения во вторичной обмотке э.д.с. достаточной для срабатывания включающего электромагнита YA С в приводе короткозамыкателя. Электромагнит поворачивает защелку, короткозамыкатель QN включается под действием пружины. В результате этого включения возникает однофазное КЗ и протекает ток /к от трансформатора Тг Ток 1к создает в трансформаторе тока ТАг э.д.с., под действием которой электромагнит отключения YAT в приводе отделителя сжимает пружину, перемещаясь вниз.
Рис. 4. Схема совместного действия короткозамыкателя и отделителя
Под действием тока I на районной подстанции срабатывает токовое реле К А, подключенное к трансформатору тока ТА 3. Реле К А отключает выключатель Q, при этом запускается автоматика повторного включения (АПВ). Протекание тока через ТА2 прекращается, электромагнит YA Т под действием пружины поворачивает защелку, и отделитель QR отключает поврежденный трансформатор Т1 от ЛЭП-110 кВ. Через определенное время АПВ включает выключатель Q и восстанавливает питание ЛЭП-110 кВ. Перерыв в питании потребителей, подключенных к линии через трансформаторы (исключая Г,), составляет 1-5-2 с, что, как правило, не отражается на работе потребителей.
Отделители и короткозамыкатели
В настоящее время начинают широко применяться высоковольтные подстанции без выключателей на питающей линии. Это позволяет удешевить и упростить оборудование при сохранении высокой надежности. Для замены выключателей на стороне высокого напряжения используются короткозамыкатели и отделители.
Крроткозамыкатель — это быстродействующий контактный аппарат, с помощью которого по сигналу релейной защиты создается искусственное КЗ сети.
Отделитель представляет собой разъединитель, который быстро отключает обесточенную цепь после подачи команды на его привод. Если в обычном разъединителе скорость отключения мала, то в отделителе процесс отключения длится 0,5—1 с.
В качестве примера применения короткозамыкателей и отделителей на рис. 9 приведена схема питания от одной линии двух трансформаторных групп 77 и Т2. В схему кроме быстродействующих короткозамыкателей QK1 и QK2, введены отделители Q1 и Q2, которые при нормальном режиме работы замкнуты. Допустим, вследствие ухудшения изоляции трансформатора Т1 внутри него возникают электрические разряды, которые приводят к разложению масла и выделению газа. Газовые пузырьки, поднимаясь вверх, приводят к срабатыванию газового реле. По сигналу этого реле включается короткозамыкатель и в цепи возникает искусственное КЗ. Под действием тока КЗ срабатывает выключатель защиты QF1 и обе группы Т1 и Т2 обесточиваются.
Рис. 9. Схема коммутации с отделителями и короткозамыкателями
С помощью релейной защиты трансформатора 77 отключается также выключатель QF2, после чего с некоторой выдержкой отключается отделитель Q1. Затем, так как режим искусственного КЗ оказался отключенным, снова включается выключатель QF1. Если до аварии выключатель QF4 был отключен, тс после включения выключателя QFJ он может быть включен. При этом будет восстановлено питание потребителей на шинах 10 кВ первой трансформаторной группы.
Таким образом, в этой схеме удается не ставить выключатели на стороне 220 кВ трансформаторов Т1 и Т2. Однако для надежной работы необходима четкая последовательность в работе короткозамыкателей, выключателей и отделителей. Иначе возможны такие тяжелые аварийные случаи, как отключение тока КЗ отделителями и др.
Эффективность такой схемы тем выше, чем больше номинальное напряжение сети. Указанный эффект достигается за счет отсутствия выключателей на стороне 35—220 кВ, а также аккумуляторных батарей и компрессорных установок. Уменьшается площадь подстанции. Создается возможность приближения напряжения 35—220 кВ непосредственно к потребителям. Сокращаются сроки строительства.
По справочным данным, применение отделителей и короткозамыкателей позволяет удешевить стоимость подстанции на 40—50 % и практически сохранить ту же надежность.
б) Конструкция короткозамыкателей и отделителей. На рис. 10
представлен короткозамыкатель КЗ-110 на напряжение 110 кВ. На стальной коробке 1 установлен опорный изолятор 2. Вверху 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, второй конец которой заземлен (рис. 12). На вал 5 действует пружина привода, которая заводится в отключенном состоянии. Для включения подается команда на электромагнит привода, который освобождает защелку механизма. Под действием пружины нож перемещается в вертикальной плоскости вверх и заземляет контакт 3. Время включения такого короткозамыкателя 0,15—0,25 с.
В основу конструкции отделителя ОД-110У на 110 кВ (рис. 11) положен двухколонковый разъединитель с вращением ножей 1 в горизонтальной плоскости. Приведение в движение колонок 2 осуществляется пружинным приводом 3 с электромагнитным управлением. Во включенном положении пружины привода заведены.
Рис. 10. Короткозамыкатель Рис. 11. Отделитель
При подаче команды пружина освобождается и контакты расходятся за время 0,4—0,5 с.
Параметры отечественных короткозамыкателей и отделителей приведены в справочной литературе.
Схема релейной защиты при использовании отделителей и короткозамыкателей приведена на рис. 12. 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 отключается под действием пружины 5. При нормальной работе подстанции отделитель 2 включен, а короткозамыкатель 1 выключен. При внутреннем повреждении трансформатора срабатывает либо реле дифференциальной защиты КА, либо газовое реле Вг. Промежуточное реле при этом включает электромагнит независимого расцепителя 10. В результате короткозамыкатель 1 включается и через трансформатор тока 3 течет ток КЗ. Электромагнит 9 включается, и его якорь 11 заводит пружину 12. Схема будет находиться в таком состоянии до тех пор, пока от своей защиты не отключится выключатель, установленный на стороне высокого напряжения 220 кВ (выключатель QF1 на схеме рис. 9). После отключения этого выключателя ток через короткозамыкатель 1ив обмотке трансформатора 3 прекратится. Электромагнит 9 обесточится, его якорь под действием возвратной пружины освобождает защелку 7, и отделитель 2 размыкается.
Рис. 12. Схема релейной защиты при использовании отделителей и короткозамыкателей
Рис. 13. Элегазовый короткозамыкатель 110 кВ
Теперь выключатель на питающем конце линии может включаться вновь. Такая схема применяется только тогда, когда выключатель срабатывает (отключается) от замедленно действующей защиты. При быстродействующей защите линии применяются другие схемы.
Описанные выше конструкции короткозамыкателей и отделителей имеют большое время срабатывания (0,5—1 с), что удовлетворяет современные требования к энергосистемам. В перспективе это время должно быть уменьшено до 0,08—0,12 с при напряжениях до 220 кВ. Рассмотренные аппараты не обеспечивают также достаточную надежность работы при гололеде и сильных морозах. Для уменьшения времени включения замыкателя и времени отключения отделителя необходимо сокращать междуконтактное изоляционное расстояние путем применения элегазогой или вакуумной среды. Более перспективным является использование элегазовых аппаратов, так как удается получить необходимую прочность при одном разрыве. Для вакуумных аппаратов необходимо включение нескольких разрывов последовательно.
На рис. 13 представлен элегазовый короткозамыкатель на напряжение 110 кВ. В фарфоровом цилиндре 1 установлены контакты 2 и 3. Давление элегаза в цилиндре составляет 0,3 МПа. Привод подвижного контакта 3 осуществляется тягой 5. Стальной сильфон 4 обеспечивает герметизацию полости цилиндра 1. Расстояние между контактами 85—110 мм. Время срабатывания в 4—5 раз меньше, чем у существующих короткозамыкателей открытого типа. Короткозамыкатель защищен от климатических воздействий окружающей среды.
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.
Внешние условия работы разъединителя должны соответствовать реальным условиям эксплуатации аппарата (скорость ветра, температура, гололед).
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 отделителя выбираются так же, как и для разъединителя. Кроме того, время отключения должно соответствовать требованиям схемы автоматики.
Отделители и короткозамыкатели
Отделитель — это разъединитель, который быстро отключает обесточенную цепь после подачи команды на отключение на специальный привод ( tоткл = 0,5 — 1 с ).
Короткозамыкатель — однополюсный (сети с U 110 кВ) или двухполюсный аппарат ( сети 6, 10, 35 кВ ), снабженный пружинным приводом для автоматического включения и предназначенный для создания КЗ по ручной команде или от релейной защиты.
Для экономии выключатели перед трансформаторами заменяют комбинацией отделителя и короткозамыкателя (рис. 7). В случае повреждения трансформатора Т1 релейная защита в начале ЛЭП может не сработать, но срабатывает более чувствительная дифференциальная защита (или газовая), которая дает команду на короткозамыкатель QK1. Релейная защита в начале ЛЭП реагирует на большой ток КЗ, отключает линию выключателем QF. В бестоковую паузу отделитель QS2 быстро размыкает свои контакты и отделяет трансформатор Т1. Автоматическое повторное включение АПВ в голове ЛЭП восстанавливает напряжение на линии.
Рис. 7. Принципиальная схема срабатывания короткозамыкателя и отделителя
Рассмотрим более подробно работу приводов отделителя и короткозамыкателя рис. 7.
Короткозамыкатель 1 имеет пружинный привод 4. Механизм расцепления привода 6 может срабатывать от реле максимального тока мгновенного действия 8 и независимого расцепителя 10. От ТТ 3 питается электромагнит 9 расцепителя отделителя 2. Отделитель 2 отключается под действием пружины 5.
При внутреннем повреждении трансформатора Т срабатывает дифференциальное реле РТ, подключая промежуточное реле РП, которое подает напряжение на электромагнит независимого расцепителя 10.
Независимый расцепитель 10 освобождает пружину 4, под действием которой короткозамыкатель 1 включается, возникает КЗ.
Ток КЗ протекает через ТТ 3 , электромагнит 9 подтягивает свой якорь 11 и заводит пружину 12.
Схема будет находиться в таком состоянии до тех пор, пока от своей защиты не отключится выключатель QF1 на районной подстанции.
После отключения выключателя QF1 ток КЗ прекращается, якорь реле 9 под действием своей пружины производит расцепление защелки 7 и отделитель 2 размыкает свои контакты под действием пружины 5, отключая трансформатор Т.
Через некоторое время срабатывае АПВ в голове линии, выключатель QF1 замыкает свои контакты, восстанавливая напряжение для других потребителей.
Недостатки — большое время перерыва питания (tсраб = 0,4 с), в зимнее время возможны отказы. Замена выключателями нагрузки с элегазом (tсраб = 0,15 с).
- Разъединитель — что это за аппарат?
- Какой величины токи способен разрывать разъединитель?
- Что произойдет при размыкании разъединителем рабочего тока?
- В каких случаях разъединитель может размыкать рабочие токи?
- Какие приводы имеют разъединители?
- Требования, предъявляемые к разъединителям.
- Что такое — магнитный замок?
- Что может произойти при отсутствии блокировки разъединителя с выключателем?
- Что может произойти при отсутствии блокировки разъединителя с заземляющими ножами?
- Разъединитель РВР, РНД — расшифровка.
- Отделитель — что это за аппарат?
- Короткозамыкатель — что это за аппарат?
- Что замыкается в сети с заземленной нейтралью, с изолированной нейтралью?
- Чем вызвано применение отделителя и короткозамыкателя?
- Недостатки применения отделителя и короткозамыкателя?
Короткозамыкатель
Короткозамыкатель — электрический аппарат, предназначенный для создания искусственного короткого замыкания на землю в сетях электроснабжения.
Устройство
Конструктивно короткозамыкатель аналогичен заземлителю, но за счёт мощной контактной системы может включаться на короткое замыкание. Представляет собой однополюсный или двухполюсный(в зависимости от системы рабочего заземления сети) разъединитель, снабжённый пружинным приводом для автоматического включения и предназначенный для соединений провода(проводов)трёхфазной системы с землёй по ручной команде или от релейной защиты.
Применение
Короткозамыкатели совместно с отделителями применяются в упрощённых схемах подстанций вместо более дорогих силовых выключателей. Подобная замена позволяет экономить значительные денежные средства, так как стоимость силовых выключателей довольно высока. Чем больше присоединений на подстанции и выше напряжение высокой стороны, тем более заметной становится выгода от использования упрощённых схем. В основном упрощённые схемы получили распространение на напряжении 35, 110 кВ. Устанавливаются короткозамыкатели: в сетях с заземлённой нейтралью — на одну фазу, в сетях с изолированной нейтралью — на две. Включение короткозамыкателя происходит автоматически, отключение производят вручную.
В настоящее время применение короткозамыкателей ограничено теми подстанциями, где они установлены, короткозамыкатели больше не производятся, так как схемы ПС, где они применяются, имеют меньшую надежность и большую вероятность повреждения дорогостоящего оборудования подстанции (силового трансформатора), чем схемы с применением выключателей. Отказами короткозамыкателя могут быть короткие замыкания из-за самопроизвольного или ложного включения, а также невозможность включения короткозамыкателя при переключениях.
Принцип действия защиты с использованием короткозамыкателей
В случае аварии на трансформаторе одного из присоединений (T1), установленная на нём защита подаст напряжение на катушку включения соответствующего короткозамыкателя (SC1). Короткозамыкатель замкнёт свои контакты, создав искусственное замыкание на землю. На это замыкание среагирует защита магистральной ЛЭП, в зоне действия которой находится подстанция, и с помощью головного выключателя (Q) отключит всю подстанцию. Через небольшой промежуток времени на линии сработает АПВ и включит головной выключатель. За это время, которое называется бестоковой паузой, сработает только отделитель повреждённого трансформатора (E1) и отключит его от сети. Таким образом, не используя отдельный выключатель на каждое присоединение, возможно отключить повреждённый участок, оставив подстанцию в работе.
Примечания
- В.В.Афонин,К.А.Набатов, Ж.А.Зарандия. Силовые коммутационные аппараты (рус.). ГОУ ВПО ТГТУ (2011).
- Д.С. Александров, Е.Ф.Щербаков. Надёжность и качество электроснабжения предприятий (рус.). УлГТУ (2010).