Ограничители напряжения

Назначение и классификация электрических аппаратов
высокого напряжения

Электрические аппараты высокого напряжения (АВН) исполь­зуются в электроэнергетических системах (объединенных и авто­номных) для осуществления всех необходимых изменений схем выдачи мощности и электроснабжения потребителей в нормаль­ном эксплуатационном режиме и в аварийных условиях, обес­печения непрерывного контроля за состоянием высоковольтных систем, ограничения возникающих в процессе эксплуатации пере­напряжений и токов короткого замыкания, а также для ком­пенсации избыточной зарядной мощности линий. Иными словами, с помощью высоковольтных электрических аппаратов осущест­вляется управление энергетическими системами в самом широком смысле этого понятия.

По функциональному признаку аппараты высокого напряжения подразделяются на следующие виды:

- коммутационные аппараты (выключатели, выключатели на­грузки, разъединители, короткозамыкатели, отделители);

- измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряже­ния, делители напряжения);

- ограничивающие аппараты (предохранители, реакторы, раз­рядники, нелинейные ограничители перенапряжений);

- компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы).

Коммутационные аппараты используются для формирования необходимых схем выдачи мощности от электростанций, ее пере­дачи на расстояние и схем электроснабжения потребителей.

Выключатели предназначены для включения и отключе­ния токоведущих элементов электроэнергетических систем в нор­мальных (отключение рабочего тока) и аварийных (отключение тока короткого замыкания) режимах и тем самым для предотвра­щения развития аварий в электроэнергетических системах. В связи с такой ответственной ролью выключателей к ним предъ­являются очень жесткие требования. Они должны многократно (тысячи раз) обеспечивать коммутацию (включение и отключе­ние) токоведущих цепей при номинальном токе (либо при мень­ших токах). Во включенном положении выключатели должны выдерживать в течение срока службы (25 лет) воздействие рабо­чих напряжений и тока. При возникновении короткого замыкания (к.з.) выключатель должен выдержать воздействие тока к.з. и обеспечить отключение поврежденного участка сети в течение не­скольких полупериодов напряжения промышленной частоты.

Из сказанного следует, что выключатель должен иметь очень высокий коэффициент готовности: при малой продолжитель­ности процессов коммутации (несколько минут в году) должна быть постоянно обеспечена готовность к осуществлению комму­таций.

В эксплуатации используются различные типы выключателей. Наиболее распространены масляные выключатели, в которых дугогасительной средой является минеральное масло. Они изготов­ляются для распределительных устройств (РУ) напряжением до 220 кВ включительно.

Для РУ напряжением 110 кВ и выше (вплоть до 1150 кВ) наи­более широко используются воздушные выключатели, где гаше­ние дуги осуществляется потоком сжатого воздуха.

В последнее время интенсивно развиваются конструкции ва­куумных выключателей, у которых контактная система помещена в вакуумную камеру. Такие выключатели изготовляются на напряжение до 35 кВ включительно. Их отличительная особен­ность – погасание дуги при первом же переходе тока через нуль (после расхождения контактов).

Развиваются работы и по созданию элегазовых выключателей, в которых в качестве дугогасящей среды используется электроот­рицательный газ – шестифтористая сера (элегаз). Такие выклю­чатели создаются для герметичных распределительных устройств (ГРУ), а также для наружной установки, где в качестве изоля­ции относительно земли используются воздух и фарфоровые или стеклопластиковые изоляторы.

На напряжение 6 и 10 кВ наиболее распространены электро­магнитные выключатели, в которых дуга горит в воздухе при ат­мосферном давлении и в результате воздействия сильного магнит­ного поля удлиняется настолько, что отдача теплоты стволом дуги (усиленная специальными мерами) превосходит ее поступление и дуга распадается.

Выключатели нагрузки применяются, как правило, в цепи генераторного напряжения на очень большие номинальные токи (20-30 кА), когда токи короткого замыкания отключаются высоковольтными выключателями за повышающими трансформа­торами. В этом случае ток электродинамической стойкости дости­гает сотен тысяч ампер. Кроме того, выключатели нагрузки при­меняются на тупиковых подстанциях небольшой мощности, в коль­цевых линиях, когда применение выключателей оказывается неэкономичным. Существенно меньшие токи, отключаемые вы­ключателями нагрузки, определяют значительное упрощение их конструкций и снижение массогабаритных показателей по срав­нению с выключателями.

Разъединители применяются для коммутации обесточен­ных с помощью выключателей участков токоведущих систем, для переключения присоединений распределительных устройств с од­ной ветви на другую без перерыва тока и для коммутации очень малых токов ненагруженных силовых трансформаторов и корот­ких линий.

Например, при подготовке выключателя к ремонту он должен быть отделен от смежных элементов токоведущих систем, нахо­дящихся под напряжением, с помощью разъединителей и (рис. 1.1) после отключения выключателя В. При этом разъеди­нители отключают небольшой ток, определяемый напряжением сети и емкостью токоведущих элементов выключателя и подводя­щей ошиновки. Разъединители открытой установки создают види­мые разрывы токоведущей системы, обеспечивающие безопасность выполнения работ на выключателе.

После отключения разъединителей выключатель В должен за­земляться с обеих сторон с помощью переносных заземлителей либо специальных заземляющих ножей и , встраиваемых в конструкцию разъединителя.

Отделитель служит для отключения обесточенной цепи высокого напряжения за малое время (не более 0,1 с). Он по­хож на разъединитель, но снабжен быстродействующим при­водом.

Короткозамыкатель служит для создания к.з. в цепи высокого напряжения. По конструкции он сходен с заземляющим устройством разъединителя, но снабжен быстродействующим при­водом.

Короткозамыкатели и отделители устанавливаются на стороне высшего напряжения распределительных устройств (РУ) малоот­ветственных потребителей, когда с целью экономии площади и стоимости выключатели предусмотрены только на стороне низшего напряжения. При повреждении в РУ и токе к.з., недостаточ­ном для работы защиты на отправном конце питающей линии, короткозамыкатель заземляет линию. При этом увеличивается ток к.з., что обеспечивает надежное срабатывание защиты и отклю­чение линии с отправного конца выключателем. После этого от­ключаются выключатель поврежденной трансформаторной группы на стороне низшего напряжения и затем отделитель этой же группы на стороне высшего напряжения. Таким образом, повреж­денная трансформаторная группа оказывается изолированной от сети, что обеспечивает возможность повторного включения вы­ключателя на отправном конце питающей линии и восстановления питания потребителей поврежденной трансформаторной группы в результате их подключения между шинным выключателем к неповрежденной трансформаторной группе (рис. 1.2).

Рис. 18.1. Схема соединения выключателя и разъединителей

Короткозамыкатели и отделители обладают большим быстро­действием для ограничения длительности аварийного режима в системе.

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН)применяются для непрерывного контроля за этими пара­метрами электрической цепи в качестве датчиков сигнала ее со­стояния, воспринимаемого устройствами защиты и автоматики. Применяются ТТ и ТН при высоких напряжениях и больших то­ках, когда непосредственное включение в первичные цепи кон­трольно-измерительных приборов, реле и приборов автоматики технически невозможно или недопустимо по условиям безопасно­сти обслуживающего персонала.

Рис. 18.2. Схема РУ с короткозамыкателями и отделителями

Измерительные трансформаторы устанавливаются в открытых (ОРУ), закрытых (ЗРУ) и герме­тичных (ГРУ) распределительных устройствах и связываются кон­трольными кабелями с приборами устройств вторичной коммута­ции, которые размещаются на панелях щитов и пультов и на стенах в помещениях щитов управления, машинного зала и рас­пределительных устройств. Основное требование к трансформато­рам тока – обеспечение передачи информации со стороны высо­кого потенциала на потенциал земли с минимально возможными искажениями. Наиболее распространенными в настоящее время являются электромагнитные трансформаторы тока и напряжения, содер­жащие магнитопровод, первичную обмотку, включаемую непо­средственно в цепь высокого напряжения последовательно (ТТ) либо параллельно (ТН), и одну или несколько вторичных обмо­ток. Номинальный ток вторичных обмоток ТТ составляет обычно 5А, иногда 1А, номинальное напряжение вторичных обмоток ТН – обычно 100 В.

Эти трансформаторы имеют очень небольшие погрешности в установившемся режиме – от долей процента до нескольких про­центов в зависимости от класса точности. Однако в переходных режимах, связанных, например, с возникновением к.з., погреш­ности измерения тока и напряжения могут достичь 10 % и более, прежде всего из-за насыщения стали сердечника.

В связи с этим в последнее время вместо электромагнитных ТН применяются емкостные делители напряжения, а вместо элек­тромагнитных ТТ – оптико-электронные (ОЭТТ), в которых сиг­нал со стороны высокого потенциала передается на землю по оптическому каналу с помощью волокнистых световодов. Такие трансформаторы тока передают сигнал на устройства защиты и управления с малыми искажениями. Однако мощность передаваемого по оптическому каналу сиг­нала недостаточна для использования в обычных устройствах ре­лейной защиты и автоматики, поэтому использование ОЭТТ не­обходимо сочетать с применением микроэлектронных устройств и ЭВМ.

Ограничивающие аппаратыподразделяются на аппараты огра­ничения тока и напряжения.

К токоограничивающим аппаратам относятся высоковольтные предохранители и реакторы. Плавкие предохранители высокого напряжения предназначены для защиты силовых трансформато­ров, воздушных и кабельных линий, конденсаторов, электродвига­телей и трансформаторов напряжения.

Токоограничивающие предохранители с мелко­зернистым наполнителем применяются на напряжение 3-35 кВ с номинальным током 2-1000 А и током отключения от 2,5 до 63 кА.

Выхлопные предохранители переменного тока, где гашение дуги происходит при переходе тока через нуль, применяются на напряжение 6-220 кВ с номинальным током 2-200 А и током отключения от 1,6 до 20 кА.

Токоограничивающие реакторы представляют собой катушку индуктивности без сердечника, включаемую последова­тельно в токоведущую цепь. Реактор выбирается из условия огра­ничения тока к.з. в цепях 6-10 кВ до уровня, при котором обес­печивается динамическая и термическая стойкость коммутацион­ных аппаратов (когда их параметры недостаточны для работы без реакторов), а также термическая стойкость защищаемых ка­белей. Менее распространены токоограничивающие реакторы в се­тях 110-220 кВ. При малых токах (вплоть до номинального) падение напряжения на реакторе обычно не превышает 3-10 % номинального напряжения. При коротком замыкании на линии, защищаемой реактором, напряжение на соседней линии не должно уменьшаться более чем на 25 % по сравнению с до аварийным режимом.

Наиболее распространенным средством ограничения грозовых и внутренних перенапряжений являются разрядники. Эти аппа­раты состоят из нелинейных резисторов (варисторов) и искро­вых промежутков, автоматически подключающих блок варисто­ров к токоведущей цепи при превышении заданного уровня на­пряжения.

В настоящее время созданы варисторы с такой высокой сте­пенью нелинейности вольт-амперной характеристики, что они мо­гут быть подключены к токоведущим элементам без искровых промежутков. Протекающий по варисторам ток при номинальном напряжении составляет миллиамперы, а при повышениях напря­жения возрастает до тысяч ампер. Отсутствие искровых проме­жутков существенно упрощает конструкцию ограничителей пере­напряжений, но порождает новые проблемы, связанные с необхо­димостью обеспечения надежной работы аппарата при рабочем напряжении.

Компенсирующие аппараты. В сетях сверхвысокого напряже­ния широко применяются реакторы, включаемые между токоведущими элементами и землей (шунтирующие реакторы). Они пред­назначены для компенсации избыточной зарядной мощности в ре­жиме малых нагрузок (когда по линии передается мощность меньше натуральной). При номинальной нагрузке линии реакторы отключены, а по мере уменьшения нагрузки они под­ключаются с помощью высоковольтных выключателей.

Регулируемые (управляемые) реакторы обеспечивают возможность быстрого и плавного изменения потребляемой ими реактивной мощности без отключения от линии. Такие реакторы в настоящее время находятся в стадии разработки. Наличие об­мотки подмагничивания позволяет форсировать параметры реак­тора – кратковременно увеличивать его мощность значительно выше номинальной, а следовательно, использовать регулируемые реакторы в качестве средств глубокого ограничения внутренних перенапряжений.

Комплектные распределительные устройства составляются из полностью или частично закрытых шкафов или блоков с встроенными в них аппаратами, устройствами защиты и автоматики, поставляемых в собранном или полностью подго­товленном для сборки виде. Комплектные распределительные уст­ройства выпускаются для внутренней (КРУ) и для наружной (КРУН) установки. Комплектные РУ 6-20 кВ в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации энергетического строительства, поэтому они становятся самой распространенной формой исполнения РУ.

В последние годы начали применять комплектные РУ нового типа – герметичные (ГРУ), в которых все токоведущие элементы и аппа­раты (сборные шины, выключатели, разъединители, трансформа­торы тока и напряжения) расположены внутри герметичной оболочки, заполненной сжатым высокопрочным газом (элегазом). Такие РУ полностью изготовляются на заводе в виде отдельных ячеек, набор которых может изменяться в зависимости от схемы подстанции.

В настоящее время освоен серийный выпуск ячеек ГРУ на напряжение 110 и 220 кВ и осваивается серийный выпуск ГРУ на напряжение 330, 500, 750 и 1150 кВ.

Герметичные распределительные устройства предполагается ис­пользовать прежде всего в крупных городах с целью экономии площади и объема. Так, ГРУ 110 и 220 кВ могут быть разме­щены в подвальных помещениях жилых зданий. Целесообразно использовать ГРУ на гидростанциях, где, как правило, недоста­точно места для размещения ОРУ, а также в районах со слож­ными климатическими, метеорологическими и сейсмическими ус­ловиями и в районах с сильным загрязнением атмосферы.

Прогрессивное направление аппаратостроения – создание комплексов аппаратов – получило развитие и при создании аппа­ратов на генераторное напряжение. В комплекс объединяются все три аппарата, включаемые в рассечку токопровода – от генератора до трансформатора: выключатель, разъединитель и трансформа­тор тока. Такое объединение приводит к существенному уменьше­нию объема, занимаемого аппаратами, повышает их технико-эко­номические характеристики, в том числе надежность.

Классификация АВН

Коммутационные аппараты. В эту группу входят высо­ковольтные выключатели, предохранители, выключатели сгрузки, разъединители, отделители и короткозамыкатели.

Высоковольтный выключатель – важнейший из АВН. Он служит для включения и отключения токов любых ре­жимов: номинальных, токов КЗ, токов холостого хода (XX) силовых трансформаторов, токов холостых линий и кабе­лей. Характерной особенностью этого аппарата является наличие дугогасительного устройства (ДУ), которое обес­печивает гашение дуги, возникающей в цепи высокого на­пряжения при ее размыкании.

Разъединитель служит для включения и отключения цепей высокого напряжения при отсутствии тока. Эти аппа­раты необходимы для изменения электрических схем энер­гоустановки и создания безопасных условий при ремонте и ревизии АВН и силового оборудования (трансформаторов, генераторов и др.). Отличительной особенностью разъеди­нителя является видимый разрыв между контактами в по­ложении «отключено». Разъединитель не имеет ДУ. После снятия напряжения с оборудования необходимо заземлить токоведущие части. Для этого разъединители часто снаб­жаются заземляющими устройствами.

Высоковольтный предохранитель – аппарат, произ­водящий отключение защищаемой цепи при к.з. и недопустимой перегрузке путем плавления металлического провод­ника малого сечения и последующего гашения дуги высоко­го напряжения в ДУ.

Выключатель нагрузки. Этот аппарат служит только для включения и отключения номинальных токов установ­ки. Отключение токов к.з. и перегрузок производит высоко­вольтный предохранитель, включенный с выключателем нагрузки последовательно. В отличие от разъединителя выключатель нагрузки имеет ДУ, рассчитанное на комму­тацию номинальных токов и токов х.х. трансформаторов и линий электропередачи.

Отделители и короткозамыкатели. В связи с возрас­танием мощности приемников напряжение 35-220 кВ по­дается непосредственно на территории заводов, фабрик, го­родов. Выключатели на это напряжение имеют значитель­ные габаритные размеры и высокую стоимость. В связи с этим разработаны упрощенные схемы энергоснабжения, в которых выключатели на повышенное напряжение заме­няются простыми и дешевыми аппаратами – отделителями и короткозамыкателями, не требующими большого поме­щения.

Отделитель – это коммутационный аппарат, который служит для отключения обесточенной цепи высокого напря­жения за малое время. По своей конструкции отделитель похож на разъединитель, но имеет быстродействующий привод, который отключает его за относительно малое вре­мя (не более 0,1 с).

Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат, который служит для создания к.з. в цепи высокого напря­жения. По своей конструкции он напоминает заземляющее устройство разъединителя. Включение и отключение корот­козамыкатели производят также с помощью быстродей­ствующего привода. Время включения с момента подачи управляющего сигнала до момента замыкания контактов не превышает 0,1 с. Согласованная работа отделителя и замыкателя производится от специальной схемы автома­тики.

Ограничивающие аппараты:

1) токоограничивающий ре­актор – катушка индуктивности, которая служит для ограничения тока КЗ и поддержания необходимого напряжения на сборных шинах распредустройства. Реакторы позволяют применить высоковольтные выключатели и другие АВН облегченного типа, а также повысить надежность работы электроустановки. Наряду с токоограничивающими реакторами в установках высокого напряжения нашли примене­ние реакторы иного назначения: шунтирующие, нагрузоч­ные, дугогасящие и др.;

2) разрядники – аппараты, ограничивающие напряже­ние в электроустановке при коммутационных и атмосфер­ных перенапряжениях. Они позволяют снизить требования к прочности электрической изоляции аппаратов и оборудо­вания, уменьшить габаритные размеры электроустановки и значительно удешевить ее.

Измерительные аппараты. В эту группу входят высоко­вольтные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Они изолируют силовые цепи высокого напряжения от то­ковых цепей и цепей напряжения измерительных приборов и релейной защиты. Кроме того, они позволяют различные номинальные токи и номинальные напряжения силовых цепей высокого напряжения привести к стандартным значениям тока (1 и 5 А) и напряжения (100 В).

Комплектные распределительные устройства (КРУ) представляют собой совокупность АВН (выключатель, разъединители, ТТ, ТН, реактор и др.), которая позволяет осуществлять управление потоком энергии и защиту от аварийных режимов. КРУ изготовляются на аппаратном заводе и поставляются на подстанцию в готовом виде. Определенный набор ячеек КРУ позволяет на месте монта­жа создать распределительное устройство высокого напря­жения по одной из типовых схем. КРУ позволяет резко сократить время монтажа распределительного устройства, повысить надежность работы электроустановки, уменьшить затрату активных материалов и трудоемкость.