Синхронные машины. Синхронные машины 15 общие сведения
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
17.2. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от перегрева при коротких замыканиях и длительных перегрузках. Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединение через элементы с малым сопротивлением между проводами или другими токоведущими частями цепи. Причиной короткого замыкания может быть случайное соединение голых токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции в  следствие старания, износа, пробоя и т. п. При коротком замыкании резко увеличивается ток, а так как выделение теплоты в проводах пропорционально квадрату тока, то тепловое действие тока короткого замыкания может вызвать разрушение изоляции и пожар. Вместе с тем при коротких замыканиях часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами. Кроме того, короткое замыкание вызывает сильное изменение напряжения в системе, следствием чего являются снижение частоты вращения и даже остановка электродвигателей и т. д.В табл. 17.1 приведены допустимые значения токов в проводах и кабелях в соответствии с Правилами устройства электроустановок. Таблица 17.1. Допустимые длительные токовые нагрузки на провода и шнуры с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией и алюминиевыми жилами
Простейшим способом отключения токов короткого замыкания является использование их теплового действия в приборе защиты. Таким прибором является плавкий предохранитель. В нем основным отключающим элементом служит плавкая вставка — сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увеличении тока в защищаемой цепи свыше определенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую сниженную термическую стойкость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего она изготовляется из материала с высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (например, серебра, меди), но о малой площадью поперечного сечения. Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка, следовательно, плавкая вставка должна иметь длину, соответствующую выключаемому напряжению; по этой причине на предохранителях кроме номинального тока указывается также и напряжение. Существует очень большое число различных конструкций плавких предохранителей. Для напряжений до 250 В и токов примерно до 60 А широко применяются пробочные предохранители (рис. 17.3). Такой предохранитель состоит из основания 1, в которое ввертывается сменяемая при перегорании вставка 2— так называемая пробка с резьбой, опирающаяся на неподвижный контакт 4. Пробка изготовляется из керамического материала и снабжается двумя металлическими контактами, между которыми припаивается плавкая проволока 3. П  робочные предохранители обычно сосредоточиваются на групповых щитках. От этих щитков линии расходятся в отдельные квартиры или комнаты, части здания и т. п. На щитке все провода каждой линии должны быть защищены отдельными предохранителями (рис. 17.4). Такое сосредоточение предохранителей облегчает надзор за ними и быструю смену пробок при их перегорании.Д  ля тепловой защиты линий высокого напряжения применяются трубчатые предохранители различных конструкций (рис.17.5), в которых плавящаяся проволока помещена в фарфоровую трубку и имеет значительную длину. Трубка не дает разбрызгиваться расплавленному металлу, а электрическая дуга, образующаяся при плавлении проволоки внутри трубки, быстро разрывается благодаря тяге воздуха в трубке.Номинальным током плавкого предохранителя считается тот наибольший ток, который предохранитель может выдерживать сколь угодно долгое время, не разрушаясь. Он указывается на вставке предохранителя. Ориентировочно для определения времени отключения можно пользоваться зависимостью времени плавления от отношения тока в предохранителе к его номинальному току. Следует различать защиту электротехнических установок от коротких замыканий и защиту от длительных перегрузок. Номинальные токи плавких вставок предохранителей, служащих для защиты отдельных участков электрической сети, во всех случаях следует выбирать по возможности наименьшими по расчетным токам соответствующих участков сети. Но при этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках — пусковых токах электродвигателей и т. п. Т  епловой принцип защиты используется также в более совершенных приборах — тепловых реле. В подобных реле для срабатывания устройства обычно используется биметаллический элемент. Он состоит из двух механически скрепленных пластин, а эти пластины изготовлены из металлов с различными температурными коэффициентами расширения. На рис. 17.6 показана принципиальная схема устройства теплового реле. Нагреватель 2, включенный в защищаемую цепь, своим теплом воздействует на биметаллический элемент 1. При перегрузке в защищаемой цепи обе пластины биметаллического элемента, нагреваясь, удлиняются. Но одна из них удлиняется больше, вследствие чего биметаллическая пластина изгибается вверх и выходит из зацепления с защелкой 3. Последняя под действием пружины 4 поворачивается вокруг оси 5 по часовой стрелке и посредством тяги 6 размыкает контакты 7, отключая перегруженную сеть.Однако тепловое реле из-за значительной тепловой инерции не обеспечивает защиту от токов короткого замыкания, поэтому необходимым дополнением теплового реле является плавкий предохранитель. 17.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ Плавкие предохранители защищают электродвигатели и прочие промышленные устройства только от токов короткого замыкания, а от длительных перегрузок они надежно защитить не могут. Поэтому в мощных электротехнических установках кроме плавки предохранителей устанавливается автоматическая защита. Простейшим устройством для автоматической защиты от повреждений при нарушении нормального рабочего режима в установках с рабочим напряжением до 1 кВ являются автоматические воздушные (не масляные и не со сжатым воздухом) выключатели, часто называемые просто автоматами. Эти аппараты могут защищать установку не только при перегрузке током. Они производят отключение цепей автоматически при нарушении нормальных рабочих-условий, причем в зависимости от типа автомата это отключение производится или когда определенная электрическая величина переходит установленное предельное значение (максимальные и минимальные автоматы), или когда изменяется направление передачи энергии (автоматы обратной мощности). Кроме того, существует большое число автоматов специального назначения. Для воздействия на защелку отключающего механизма в автоматах применяются электромагнитные, тепловые и комбинированные расцепители. В последнем случае электромагнитный и тепловой элементы могут независимо отключать автомат. Электромагнитный расцепитель действует мгновенно, и потому при нем нет необходимости в плавких предохранителях. В зависимости от назначения автомата в него могут быть встроены различные распепители. На рис. 17.7 показаны схематически автоматы с различными видами электромагнитных расцепителей. Наиболее распространенным автоматическим воздушным выключателем является автомат максимального тока (рис. 17.7, а). Когда ток в защищаемой цепи достигает предельного значения, катушка К втягивает стальной сердечник и защелка С освобождает пружину Я; последняя разрывает контакты A и, таким образом, выключает цепь. Конструктивные оформления этих автоматов весьма р  азнообразны. Автоматы максимального тока применяются и в осветительных сетях жилых помещений взамен плавких предохранителей. Обратное включение автомата производится от руки, причем часто автомат снабжается свободным расцеплением, благодаря которому перегруженная цепь отключается, даже если электромонтер, включающий его, удерживает рукоятку автомата в положении включения. Часто автоматы снабжаются приспособлением для регулирования предельного тока, т. е. тока, при котором происходит отключение. Точность настройки автомата на определенный предельный ток несравненно выше, чем при защите плавкими предохранителями, и в этом заключается одно из важнейших его преимуществ. Чтобы избежать отключения установки при кратковременном увеличении тока, не опасном для установки (например, пускового тока двигателя), автоматы иногда снабжаются устройством выдержки времени (приспособлением, которое создает определенный промежуток времени между воздействием тока на автомат и моментом отключения цепи). На рис. 17.7, б показан принцип подобного устройства: зубчатая система В не позволяет катушке К мгновенно втянуть сердечник и освободить защелку С, так как сначала колесико В должно повернуться на определенный угол; тем самым создается определенная выдержка времени, которую можно регулировать. Если увеличение тока закончится прежде, чем механизм выдержки времени позволит освободить защелку, то сердечник вернется в исходное положение и отключения не произойдет. Кроме часового механизма для выдержки времени в автоматах с электромагнитным расщепителем применяется также масляный или воздушный тормоз и т. п. Автомат минимального тока применяется в тех случаях, когда цепь должна быть отключена, если в ней или в одной из ее ветвей ток уменьшился ниже предельного значения. Принцип действия такого автомата поясняет рис. 17.7, в. Катушка К удерживает сердечник и защелку до тех пор, пока ток в катушке не понизится до определенного значения; тогда сердечник под действием силы тяжести опускается и защелка освобождает пружину П, которая размыкает контакты и отключает установку. Автомат пониженного напряжения (рис. 17.7, е) по принципу действия сходен с автоматом минимального тока. Он применяется, например, для защиты двигателей, снабженных пусковым реостатом; автомат отключает эти двигатели при понижении напряжения на их выводах. При отсутствии такого автомата понижение напряжения или его исчезновения вызывает остановку двигателя, а затем при обратном повышении напряжения вследствие того, что пусковой реостат не введен, возникает большой пусковой ток, нежелательный для электрической сети и опасный для двигателя. Часто при отключении автоматически включается пусковой реостат. Автомат обратной мощности применяется, например, для защиты параллельно работающих генераторов от перехода одного из них в режим работы двигателем. Принцип действия такого автомата показан на рие. 17.7, д. Катушка тока КIавтомата при нормальном направлении передачи энергии создает магнитное поле, противоположное полю катушки напряжения КUблагодаря этому катушки не могут втянуть сердечник и освободить защелку С; но при изменении направления передачи энергии изменяется направление тока в катушке КI, поля катушек в этих условиях складываются и втягивают сердечник, что вызывает размыкание контактов и отключение генератора. 17.4. ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Простейшими выключателями высокого напряжения являются разъединители. Их назначение — отключение и переключение участков цепи под напряжением, но при отсутствии тока. Отключение участков цепи необходимо для обеспечения безопасности осмотров и ремонтных работ на устройствах высокого напряжения, переключения подходящих и отходящих линий с одной системы шин на другую и т. д. Разъединители снабжены неподвижными и подвижными контактами, укрепленными на изоляторах. В зависимости от назначения и способа установки применяются рубящие (рис. 17.8) и поворотные разъединители; последние у  станавливаются главным образом в открытых распределительных устройствах на 35—500 кВ.Для ручного управления подвижные контакты (ножи) разъединителей снабжаются крючками или кольцами для выключения посредством изолированной штанги. Дистанционное управление разъединителями осуществляется посредством электрических или пневматических приводов. Если отключать цепь посредством разъединителя, когда ток в цепи не выключен, то между размыкаемыми контактами разъединителя возникает электрическая дуга и разрушает их. Чтобы предупредить такое ошибочное отключение, приводы разъединителей часто обеспечиваются защитной блокировкой, не допускающей отключения разъединителя при включенном выключателе. Во многих случаях необходимо отключать нагрузку небольшой мощности при токах, не превышающих нормальный рабочий ток. Установка дорогого и громоздкого масляного или другого выключателя, рассчитанного на отключение тока короткого замыкания, в подобных случаях нежелательна. Для таких установок на подстанциях промышленных предприятий и на мелких сельских электростанциях применяются выключатели нагрузки (называемые также разъединителями мощности). По устройству они сходны с рубящими разъединителями, но снабжены дугогасительным устройством того или иного типа. Они применяются для напряжений 6 и 10 кВ и рассчитаны на отключение токов, не превышающих удвоенное значение рабочего тока. Последовательно с ними для защиты установки от токов короткого замыкания включаются плавкие предохранители. Выключатели высокого напряжения должны отключать установки и при коротких замыканиях, поэтому в соответствии с условиями данной сети для выбора выключателя необходим специальный расчет токов короткого замыкания. На основании этого расчета к выключателю высокого напряжения предъявляются требования электродинамической (по отношению к электродинамическим силам) и термической стойкости к току короткого замыкания. В соответствии с этими требованиями определяются номинальная мощность отключения выключателя и номинальный ток отключения выключателя (наибольший ток, который выключатель способен надежно отключить при восстанавливающемся напряжении между фазами, равном номинальному напряжению). По всем этим причинам в современных электротехнических установках выключатель высокого напряжения является довольно сложным и ответственным аппаратом, требующим периодического осмотра и регулировки. Широко применяются масляные и воздушные выключатели высокого напряжения. В масляных выключателях, чтобы предупредить возникновение длинной дуги и ускорить ее гашение при выключении, разрывающие цепь тока контакты помещены в бак с нефтяным маслом. В зависимости от условий гашения дуги масляные выключатели подразделяются на выключатели с гашением дуги простым разрывом в масле и выключатели с дугогасительными камерами масляного или газового дутья. Аппараты первого типа изготовляются на 6— 10 кВ для мощности отключения, не превышающей 150 MB • А (рис. 17.9). Его основными частями являются: бак с минеральным маслом 1; подвижные нижние контакты 4, соединенные электрически между собой и укрепленные на изолирующей штанге 5, неподвижные верхние контакты 3, укрепленные на проходных изоляторах 2. Изолирующая штанга поднимается посредством рычажного приспособления 6, соединенного с длинным валом; последний снабжен маховичком или специальными тягами. Н  есущая подвижные контакты часть (траверса) выключателя отжимается книзу пружинами и действием собственной силы тяжести. Но во включенном состоянии она удерживается специальным запорным механизмом (защелкой), которым снабжен привод выключателя. Когда запорный механизм освобожден, подвижная часть падает вниз и создает два разрыва в цепи выключаемого тока (чаще применяются устройства с четырьмя или шестью разрывами). При разрыве цепи тока между расходящимися контактами возникает электрическая дуга. Вследствие ее высокой температуры окружающие ее слои масла испаряются и разлагаются, образуя газовый пузырь вокруг расходящихся контактов. Таким образом, в масляном выключателе расхождение контактов и горение дуги происходит в газовой среде при повышенном давлении. Последнее обстоятельство создает благоприятные условия для гашения дуги, так как с повышением давления быстро возрастает электрическая прочность газовой среды. Увеличение расстояния между контактами во время выключения вызывает увеличение длины дуги, что в свою очередь требует большого напряжения для поддержания дуги. При выключении переменного тока, на что рассчитан выключатель,ток в размыкаемой цепи каждые полпериода проходит через нулевое значение, а это способствует гашению дуги.При масляном дутье гашение обусловливается воздействием на гасимую дугу потока масла от дуги, создающей давление в дугогасительной камере. При движении траверсы выключателя вниз в каждой паре размыкаемых контактов образуются две дуги — гасимая и генерирующая давление. Гасимая горит у выхлопных каналов камеры, в которой генерирующая дуга создает давление 4—6 МПа. Поток масла направляется от генерирующей дуги на гасимую и при номинальном токе отключения не дает ей гореть более чем 0,015—0,02 с (один период переменного тока). Лучшие результаты дает использование принципа газового автодутья: дуга, загорающаяся в камере, создает газовый пузырь, и при определенном расхождении контактов открываются дутьевые щели и поперек дуги устремляется поток газа и масла, создающий условия для быстрого ее гашения. Для высоких напряжений, начиная с 35 кВ, преимущественно применяются воздушные выключатели (выключатели со сжатым воздухом). В них один или оба расходящихся контакта выполняются полыми, а сжатый воздух 0,7—2 МПа через полости контактов создает мощное воздушное дутье и сдувает дугу с рабочей поверхности контактов. По сравнению с масляным выключателем воздушный имеет меньшую массу и меньшее время отключения. Но для воздушного выключателя необходим специальный источник сжатого воздуха — компрессор, причем необходим очищенный и просушенный воздух. После отключения управляемой цепи выключатель остается под напряжением, между тем периодически необходим осмотр и ремонт, как выключателя, так и прилегающих к нему участков электрической цепи. По этой причине разъединитель нужен как его необходимое дополнение. Посредством разъединителя выключатель после выключения тока можно отделить от цепей высокого напряжения. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||