Синхронные машины. Синхронные машины 15 общие сведения

• Название: Синхронные машины 15 общие сведения
• Анкор: Синхронные машины.doc
• Дата: 17.01.2018
• Размер: 0.83 Mb.
• Имя файла: Синхронные машины.doc
• Тип: Документы; #14415
• страница: 7 из 7

17.5. РЕЛЕ И РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
Реле — это аппарат, который при определенном воздействии на его воспринимающую часть той или иной физической величины (тока, напряжения, частоты, силы света, температуры, давления и т. п.) срабатывает и его исполнительная часть производит в управляемых им цепях необходимые переключения, вызывающие соответствующие изменения тех или иных физических величин (тока, напряжения и т. д.). Бесперебойность работы электроэнергетических установок автоматически обеспечивается релейной защитой. Часто — это очень сложная совокупность реле, автоматически воздействующих на выключатели электротехнических установок при их повреждении (коротком замыкании токоведущих частей оборудования, замыкании на землю, ненормальном изменении напряжения, изменении направления передачи энергии и т. п.). Релейная защита сигнализирует о нарушении нормального режима работы; она же затем совместно с устройствами автоматики выполняет повторное включение элементов системы электроснабжения (трансформаторов, питающих линий и т. п.), автоматически включает резервные источники электрической энергии и разгружает систему электроснабжения при недостатке мощности.

Общая основная характеристика реле — это характеристика управления, выражающая связь между воздействующей физической величиной / и управляемой величиной U(рис. 17.10). При увеличении воздействующей величины до определенного значения, называемого параметром, срабатывания (в частности, током срабатывания I_ср), управляемая величина не изменяется, т. е. пока I< I_ср, управляемая величина U0 = const. Но когда управляющая величина достигает значения I_ср, исполнительная часть реле производит скачкообразное изменение управляемой величины U(например, включает или выключает электрическую цепь) до значения U_K. Дальнейшее увеличение I не изменяет U. Не влияет на Uи уменьшение управляющей величины, пока / больше определенного значения, называемого параметром возврата I_Р3 (в частности, током возврата). Когда управляющая величина достигает значения I = I_вз, исполнительная часть реле уменьшает управляемую величину до исходного значения U_o.

Отношение I_вз/I_ср = k_вз называется коэффициентом возврата реле. В зависимости от принципа действия и конструкции реле коэффициент возврата может иметь значение k_вз = 0,98 ÷ 0,3.

Для надежности действия релейного устройства рабочее значение Ip управляющей величины, т. е. значение, при котором необходимо срабатывание реле, берется больше, чем I_ср. Отношение I_р/I_ср = k₃называется коэффициентом запаса. Обычно k₃ = 3 ÷ 1

Реле защиты электротехнических устройств в зависимости от характера изменения управляющей величины, вызывающего их срабатывание, в основном разделяются на максимальные, минимальные и дифференциальные. Максимальное реле срабатывает, когда электрическая величина (например, ток) повышается сверх определенного значения I_ср. Минимальное реле срабатывает, когда электрическая величина (например, напряжение) уменьшается ниже определенного установленного значения. Дифференциальное реле реагирует на разность двух механических моментов, создаваемых в нем действием двух сравниваемых однородных электрических величин.

Основные требования, предъявляемые к релейной защите, это селективность (избирательность), быстрота действия, надежность и чувствительность.

Селективность действия защиты состоит в том, что поврежденный элемент установки отключается от источников электроэнергии ближайшими к нему выключателями, благодаря чему авария нарушает режим нормального электроснабжения минимального числа потребителей.

Быстрота действия защиты необходима для того, чтобы уменьшить размеры разрушений поврежденного участка тепловым действием тока, ослабить влияние понижения напряжения, вызванного аварией, на работу других потребителей электроэнергии, улучшить качество электрического освещения и т. д.

Чувствительность защиты необходима для того, чтобы она реагировала на самые незначительные повреждения в самом начале их возникновения. Чувствительность систем защиты является критерием их пригодности.

Надежность защиты — безотказность срабатывания при аварии. Надежнее защита, в которой применено минимальное число реле, взаимодействующих возможно проще. Для обеспечения высокой надежности применяется резервная защита, отключающая поврежденные устройства в случае отказа основной защиты.

Эти требования часто противоречивы в некоторых отношениях. Например, увеличение надежности посредством применения более грубых механизмов вызывает снижение чувствительности защиты, а повышение селективности посредством использования выдержки времени снижает быстродействие защиты.

Применение выдержки времени является одним из простейших путей получения селективности отключений. Выдержка времени обеспечивается тем, что благодаря применению соответствующих приспособлений между моментом воздействия импульса воздействующей величины (например, тока) на реле и моментом срабатывания исполнительной части реле проходит строго определенный промежуток времени, создаваемый не только естественными инерционными свойствами механизма реле, но и специальными приспособлениями. Такие приспособления могут быть встроены в само реле (реле с выдержкой времени) или их роль исполняет специальное реле времени, являющееся частью системы релейной защиты. Выдержка времени может быть сделана независимой или зависимой от значения входного импульса (тока при аварии).

Простым примером селективной защиты может служить защита посредством максимальных токовых реле с выдержкой времени отдельных реле (рис. 17.11). При защите радиальной сети с односторонним питанием от подстанции Г селективность отключения достигается применением различных выдержек времени, тем больших, чем ближе пункт установки реле к источнику электроэнергии — подстанции Г. Выдержку времени защиты наиболее удаленного участка А можно принять равной нулю; следовательно, время срабатывания защиты этого участка определяется лишь собственным временем срабатывания реле t₁ (у современных быстродействующих реле t, = 0,02 ÷ 0,12 с).

Рассмотрим простейший случай независимой выдержки времени. При этом условии выдержка реле, защищающего следующий участок В, должна быть больше, чем t₁, на определенное значение ∆t, называемое ступенью выдержки времени. При аварии в пределах участка А импульс получают воспринимающие части всех реле линии AD, так как через все эти реле проходит ток аварийного участка А. Но ступени выдержки времени должны быть выбраны так, чтобы реле / успело сработать и дуга в отключенном им выключателе оборвалась прежде, чем настанет время срабатывания любого другого реле. После срабатывания реле 1 отсчет времени в механизмах всех остальных реле прекратится и вся линия, кроме отключенного участка А, будет продолжать бесперебойно работать. Следовательно, ступень выдержки времени ∆t должна быть несколько больше полного времени отключения повреждения (обычно 0,04—0,16 с). Основным недостатком такой простой селективной защиты является чрезмерное повышение выдержки времени на головных участках вблизи источников электроэнергии. Это противоречит требованию быстродействия защиты.

По виду воздействующей величины реле защиты подразделяются на реле тока, реле напряжения, реле сопротивления (реагирующее на изменение соотношение между напряжением и током) и реле направления мощности.

Реле прямого действия воздействуют непосредственно на выключатель. Реле косвенного действия контактами своей исполнительной части коммутирует цепи оперативного (вспомогательного) тока, а последний воздействует на отключающий механизм выключателя.

Первичные реле включаются непосредственно в защищаемую цепь. Этим упрощается устройство защиты, но при высоком напряжении трудно постоянно контролировать исправность первичного реле, так как оно находится под высоким напряжением.

Вторичные реле подключаются к защищаемым объектам через измерительные трансформаторы тока и напряжения (см. § 8.17), что делает безопасным надзор за ними. В большинстве случаев в устройствах релейной защиты применяются вторичные реле косвенного действия.

В реле могут быть применены самые различные движущие механизмы. Реле тока косвенного действия в СССР выпускаются электромагнитные и индукционные. На рис. 17.12 схематически показано устройство максимального токового реле мгновенного действия электромагнитной системы. Собранный из листовой электротехнической стали магнитопровод 1 снабжен обмоткой 2. Между полюсами этого электромагнита установлен на оси Z-образный стальной якорь 3. Он удерживается в исходном положении; пружиной, создающей противодействующий момент при повороте якоря из нулевого положения. Один конец пружины 4 закреплен на оси якоря а второй конец соединен с поводком 7, последний связан с указателем тока срабатывания реле перемещаемым вдоль шкалы 8. При отсутствии тока пружина 4 удерживает якорь прижатом к упорному штифту 9. Когда вращающий момент, создаваемый током в катушке 2 становится больше противодействующего момента, создаваемого пружиной, якорь поворачивается и подвижные контакты 5 замыкают неподвижные контакты 6 — реле срабатывает. Ток срабатывания реле можно регулировать, изменяя затяжку пружины 4 посредством поводка 7. Это реле быстродействующее, но его контакты рассчитаны на замыкание цепи малой мощности, поэтому оно должно использоваться как реле косвенного действия. При срабатывании его контакты замыкают цепь тока промежуточного реле, а последнее своими достаточно мощными контактами замыкает цепь оперативного тока, отключающего выключатель. Такое реле может быть снабжено несколькими замыкающими и размыкающими контактами. В частности, оно может одновременно замыкать цепи оперативного тока нескольких выключателей.

Если при отключении необходима небольшая выдержка времени, промежуточное реле снабжается короткозамкнутым проводящим контуром, надетым на магнитопровод; этот контур представляет собой короткозамкнутый виток. При помощи такого устройства, замедляющего нарастание магнитного потока, можно получить выдержки времени порядка 0,1 или 0,2 с. Если необходима большая выдержка времени, то применяется реле времени.

В качестве вторичного реле прямого действия с регулируемой выдержкой времени часто применяется индукционное реле. Его движущий механизм подобен механизму индукционного счетчика (см. § 12.9). Это реле обладает относительно мощными контактами, благодаря чему его исполнительная часть может непосредственно замыкать цепь оперативного тока выключателя. При таком устройстве защиты нет нужды ни в промежуточном реле, ни в реле времени, но при этом существенно уменьшаются селективность и чувствительность защиты.

Релейная защита состоит из двух групп электрических цепей: цепей переменного тока, соединяющих реле с источниками информации о состоянии защищаемого объекта, и цепей оперативного тока, обеспечивающих срабатывание отключающих устройств с необходимыми последовательностью и селективностью.

Источники оперативного тока (постоянного или переменного) могут быть зависимыми и не зависимыми от режима работы и состояния первичных цепей защищаемой установки.

Зависимыми источниками оперативного тока являются трансформаторы напряжения, трансформаторы тока и специальные трансформаторы.

Независимыми источниками оперативного тока служат аккумуляторные батареи, но применение их очень существенно усложняет оборудование и обслуживание, поэтому такие источники применяются лишь на крупных и особо ответственных объектах.

Почти независимым источником оперативного тока являются конденсаторные батареи емкостью 25—500 мкФ на напряжение до 400 В. Во время нормальной работы установки конденсаторы заряжаются от трансформаторов напряжения через выпрямители. Затем они могут удерживать необходимый заряд в течение нескольких часов. При срабатывании защиты они обеспечивают необходимый оперативный ток на время, вполне достаточное для срабатывания всех видов защиты. Весьма ценно, что конденсаторы в таких условиях обеспечивают срабатывание защиты при полном исчезновении напряжения в питающей их сети переменного тока.
17.6. КОНТАКТОРЫ, МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ И КОНТРОЛЛЕРЫ
По существу контактор подобен реле, так как он представляет собой электромагнитный выключатель, приходящий в действие при замыкании или размыкании цепи оперативного тока. Но в отличие от реле контакторы рассчитываются на коммутирование больших токов, иногда при относительно высоком напряжении. Они применяются для управления мощными приемниками электроэнергии — крупными электродвигателями, нагревательными устройствами и т. п. Таким образом, контакторы являются реле прямого действия и их электромагниты должны иметь большие значения хода и силы тяги.

Управление контактором осуществляется посредством оперативного тока вспомогательной цепи, причем это управление может выполняться простым нажимом одной кнопки в цепи оперативного тока (кнопочное управление).

На рис. 17.13 показано устройство электромагнитного контактора постоянного тока. Под действием оперативного (вспомогательного) тока в катушке 1 контактора к ее сердечнику 2 притягивается стальной якорь 3; последний, поворачиваясь вокруг оси 4, замыкает главные контакты 5 в цепи рабочего тока. Пружина 6 обеспечивает хороший нажим подвижного контакта. Главная цепь присоединена к зажимам 7 цепи рабочего тока и содержит главные контакты, соединительный гибкий провод 8 и катушку магнитного дутья 9- Магнитным дутьем называется растягивание дуги между главными контактами под действием внешнего магнитного поля для ускорения ее гашения.

Рассматриваемый контактор помимо главной цепи замыкает также контакты 10 в цепи оперативного тока — так называемые вспомогательные контакты, служащие для выполнения вспомогательных операций управления. Контактор переменного тока входит как составная часть в магнитный пускатель. Последний представляет собой комплектное устройство управления, состоящее из одного или нескольких электромагнитных контакторов, тепловых реле и кнопок управления. На рис. 17.14 показана схема магнитного нереверсивного пускателя переменного тока. Управление пускателем осуществляется с помощью двух кнопок — Пуск и Стоп, находящихся вне ящика пускателя. При нажатии кнопки Пуск замыкается цепь оперативного тока — от провода фазы А сети через контакты 4 одного теплового реле 5, через катушку 1 контактора, через контакты 4 второго теплового реле 5, через контакты кнопок Пуск и Стоп к проводу С сети. Под действием оперативного тока снабженный катушкой 1 электромагнит трехполюсного контактора притянет подвижный якорь. С последним жестко соединены главные подвижные 2 (образующие двукратный разрыв цепи главного тока в каждой фазе) и вспомогательные 3 контакты в цепи оперативного тока. Двигатель будет пущен в ход, когда замкнутся все эти контакты.

Замыкание вспомогательных контактов 3 нужно для того, чтобы замкнуть цепь оперативного тока помимо контактов кнопки Пуск и, таким образом, предупредить размыкание оперативного тока, когда кнопка Пуск после нажатия возвратится в исходное положение.

При нажатии кнопки Стоп размыкается цепь оперативного тока через катушку 1 контактора, отпадает якорь, а главные контакты 2 под действием пружин размыкаются; двигатель останавливается.

Защита двигателя от перегрузок в магнитном пускателе обеспечивается двумя тепловыми реле 5 с биметаллическими элементами (см. рис. 17.6).

Вследствие значительной тепловой инерции тепловые реле не обеспечивают защиту от токов короткого замыкания, поэтому для защиты от внезапных коротких замыканий в цепи главного тока должны быть установлены плавкие предохранители 6.

Контроллеры представляют собой коммутационные аппараты, дающие возможность простым поворотом ручки или маховичка не только включать и выключать электрические цепи, но и производить сложные переключения элементов схемы управления электрических машин и аппаратов (например, пуск в ход, регулирование частоты вращения, реверсирование, торможение). Применение контроллера чрезвычайно упрощает работу обслуживающего персонала (водителя электровоза, рабочего у станка). Весьма наглядно устройство барабанного контроллера (рис. 17.15). На изолированном вращающемся валу 1 такого контроллера укреплены имеющие различную длину сегменты 2 (отрезки медных колец). Сегменты служат подвижными контактами, причем имеются отдельные сегменты на различные углы по отношению друг к другу. Некоторые сегменты электрически соединены между собой. Неподвижные контакты контроллера, так называемые контактные пальцы 3, укреплены на неподвижном изолированном основании 4. Каждому контактному пальцу соответствует определенный сегмент на вращающейся части.

Контактные пальцы изолированы друг от друга, и к ним подведены провода, соединяющие контроллер с управляемой установкой. При поворачивании вала 1 сегменты 2 в определенной последовательности соприкасаются с контактными кольцами 3, и таким путем осуществляются необходимые переключения в управляемых электрических цепях установки.

На рис. 17.16 показана развернутая на плоскости схема применения контроллера для управления двигателем постоянного тока с последовательным возбуждением. Здесь неподвижные контактные пальцы (3 на рис. 17.15) изображены в виде вертикального ряда кружков 1—10.Штриховой прямоугольник Б заключает в себе развернутую на плоскость схему барабана контроллера; полоски изображают контактные сегменты барабана. Барабан контроллера имеет семь различных положений: /, //, ///, О, III', //', /'. В исходном положении барабана 0 двигатель выключен, так как все контактные пальцы касаются лишь изолированной поверхности барабана. Повороту барабана в положение 1 на схеме соответствует совмещение вертикальной линии I со столбцом контактных пальцев. В этих условиях цепь тока замкнута через последовательную обмотку возбуждения двигателя, катушку магнитного дутья S (служащую для гашения дуги между подвижными и неподвижными контактами контроллера), контактный палец 1, обе части пускового реостата r_п, палец 3, два сегмента барабана, палец 4, щетку А в якорь двигателя Д, щетку В, палец 7, два сегмента барабана и палец 6.

Легко проследить, что поворотом барабана в положение II его сегменты закорачивают половину реостата r_п. В положении III барабана реостат r_пвесь закорочен и, следовательно, на выводы двигателя подано полное напряжение сети.

Если повернуть барабан из положения 0 в противоположную сторону, т. е. в положение / , то направление тока в якоре изменится по отношению к его направлению при положениях I—III и якорь начнет вращаться в противоположном направлении.

Е
сли реостат r_прассчитан на длительную нагрузку рабочим током двигателя, то с помощью контроллера можно также регулировать частоту вращения двигателя. Барабанный контроллер может безотказно работать лишь при небольшом числе включений в час. Значительно лучше работает кулачковый контроллер (командоконтроллер). Основной его деталью является коммутирующее устройство кулачкового типа — кулачковый контакторный элемент. Схема подобного устройства, коммутирующего две цепи, показана на рис. 17.17. Здесь на управляющем валу 1 укреплены управляющие изоляционные кулачки 2. Две пружины 3 создают необходимое давление подвижных контактов 5 мостикового типа на неподвижные контакты 4, укрепленные на изолирующей плите 6. При повороте вала выступ кулачка давит на ролик 7 и при посредстве последнего отжимает подвижные контакты и размыкает управляемую цепь в двух местах. Когда же при повороте вала выступ кулачка отходит от ролика, пружина 5 поворачивает рычаг, несущий подвижные контакты, и цепь замыкается.

Вдоль вала контроллера может быть размещено значительное число таких контакторных элементов, что дает возможность одновременно регулировать работу многих цепей (например, 12 в контроллерах промышленных электровозов). Чтобы упростить понимание сложных схем управления, составляется контроллерная диаграмма, которая показывает последовательность включения контакторных элементов (рис.17.18). В ней по вертикали указаны номера контактов, а по горизонтали — положения вала контроллера и состояние контактов. Если при данном положении вала контакт замкнут, то против него стоит крестик, если он разомкнут, то в диаграмме против него остается пустое место.

В цепях управления электродвигателями, в особенности при автоматизации управления, существенное значение имеют выключатели, срабатывающие (отключающие, включающие и переключающие), когда приводимый двигателем механизм поворачивается или перемещается на определенное расстояние.

Концевой выключатель разрывает главную цепь или цепь управления двигателя в результате нажима управляющего упора (кулачка). Эти выключатели имеют особо важное значение в подъемных устройствах.

Путевые выключатели коммутируют электрические цепи под воздействием управляющих упоров (кулачков), когда контролируемый объект проходит определенные точки своего пути.

По существу это варианты кулачковых командоаппаратов, в ряде случаев существенно упрощенные.

Описанная здесь аппаратура представляет собой лишь относительно простые примеры подобных устройств. В настоящее время электротехническая аппаратура в большинстве своем узко специализирована, т. е. приспособлена к особенностям условий и требований отдельных отраслей промышленности (горного электрооборудования, электрооборудования металлорежущих станков, электрооборудования строительных площадок и т. д.). Подобное оборудование изучается в специальных курсах. Одна из задач нашей книги — подготовка учащихся к слушанию этих курсов.
17.7. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Э
лектрическая энергия, вырабатываемая на электростанциях большой мощности, подводится к достаточно удаленным потребителям по линиям передачи высокого напряжения 35—750 кВ. Так как распределительная сеть потребителя (городская) имеет напряжение 6(10) кВ, то для понижения напряжения линий передач служит главная понижающая подстанция (рис. 17.19). Понижающая подстанция содержит понижающие трансформаторы, которые подключаются к линиям передач через выключатели и разъединители; на выводах высшего напряжения трансформаторов устанавливаются короткозамыкатели. Последние необходимы при проведении ремонтных работ и профилактических осмотров.

К выводам низшего напряжения трансформаторов 6(10) кВ подключается распределительный пункт РП, содержащий секционированные общие шины, к которым через выключатели подключаются отдельные потребители. Распределительные пункты устанавливаются и в других частях сети, где не требуется трансформация напряжения.

Так как большинство приемников электроэнергии рассчитано для работы в сетях с напряжением ниже 1000 В, то в непосредственной близости от приемников располагают трансформаторные подстанции. Они содержат понижающие трансформаторы и различного рода коммутационную аппаратуру.

Для снабжения электроэнергией крупных промышленных предприятий от магистральных линий передач используется схема глубокого ввода. В этом случае понижающая подстанция устанавливается на территории предприятия и через трансформаторы связана с линиями глубокого ввода (рис. 17.20).

Р
аспределительные сети по своей структуре можно классифицировать как радиальные (рис. 17.21, а), магистральные (рис. 17.21, б) и смешанные. Использование той или иной структуры сети зависит от степени важности потребителя, по которой они делятся на три категории. Наиболее ответственной является первая категория потребителей, наименее ответственной — третья.

Радиальная структура распределительной сети с резервированием питания потребителей от двух источников энергии может быть использована для потребителей первой категории. Более упрощенные варианты радиальной сети используются для менее ответственных потребителей. То же можно сказать о магистральной и смешанной структурах распределительных сетей.