Учебное пособие на тему: Электродвигатели

Электрические аппараты - выключатели, разъединители, реакторы, реле, измерительные трансформаторы, аккумуляторные батареи

Электрическими аппаратами (ЭА) называются электрические устройства для управления потоками электроэнергии и информации, режимами работы, контроля и защиты технических систем и их компонентов. Электрические аппараты в зависимости от элементной базы и принципа действия разделяются на две группы: электромеханические и статические ЭА.

Основным признаком электромеханических ЭА является наличие в них подвижных частей. У многих ЭА одной из подвижных частей является контактная система, осуществляющая коммутацию электрической цепи (коммутация - изменение соединений в электрических цепях: включение, отключение и переключение их отдельных частей при помощи ЭА).

Статические аппараты выполняются на основе электронных компонентов (диодов, тиристоров, транзисторов и др.), а также управляемых электромагнитных устройств (магнитных усилителей, дросселей насыщения и др.).

Существуют также гибридные ЭА, представляющие собой комбинацию электромеханических и статических ЭА.

В основе функционирования большинства видов ЭА лежат процессы коммутации электрических цепей. К таким ЭА относятся: автоматические выключатели, контакторы, реле, кнопки управления, тумблеры, переключатели, предохранители.

Другую многочисленную группу ЭА, предназначенных для управления режимами работы и защиты электротехнических систем и компонентов, составляют регуляторы и стабилизаторы параметров электрической энергии (тока, напряжения, мощности и частоты), а также ограничители перенапряжений и сверхтоков. ЭА этой группы функционируют на основе непрерывного или импульсного изменения проводимости электрических цепей. Обычно они выполняются на базе силовых полупроводниковых, электромагнитных и других видов нелинейных элементов.

Традиционно к ЭА также относят различные виды датчиков, имеющих законченное конструктивное исполнение. Назначением большинства датчиков, относящихся к ЭА, является преобразование параметров различных по природе физических величин в электрические сигналы информационного характера (механические напряжения, расход воды и т.п.). В качестве датчиков электрических величин широко используются маломощные трансформаторы тока и напряжения, называемые в этом случае измерительными трансформаторами.

Не существует ни одной области, связанной с использованием электрической энергии, где бы не применялись ЭА.

На ГЭС включение и отключение генераторов, ЛЭП, переключения в главных электрических цепях осуществляется исключительно высоковольтными автоматическими выключателями. При этом в состав электрооборудования ГЭС и распределительных устройств входят различные виды нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН, ОПНИ), токоограничивающих и компенсирующих реакторов, служащих для снижения аварийных воздействий и их последствий, вызванных КЗ и воздействиями грозовых разрядов, а также для компенсации зарядной мощности ЛЭП. Кроме того, в состав электрооборудования ГЭС входят многочисленные разъединители, высоковольтные предохранители, высоковольтные измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Управление состоянием автоматических выключателей и контакторов осуществляется различными видами реле и командоаппаратами пунктов управления.

Совокупность различных типов реле лежит также в основе систем релейной защиты.

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по разным признакам, например:

- по напряжению: низкого (до 1000 В) и высокого (от единиц до тысяч киловольт) напряжения;
- по назначению тока: слаботочные (до 5 А) и сильноточные (от 5 А до сотен килоампер);
- породу тока: постоянного, переменного;
- по частоте источника питания: с нормальной (до 50 Гц) и повышенной (от 400 Гц до 10 кГц) частотой;
- по роду выполняемых функций: коммутирующие, измеряющие, ограничивающие по току или напряжению, стабилизирующие;
- по исполнению коммутирующего органа: контактные и бесконтактные (статические), гибридные, синхронные, бездуговые.

Многообразие видов классификации определяется областями применения: в схемах автоматического и неавтоматического управления различного электротехнического оборудования; в устройствах автоматического регулирования, стабилизации, контроля и измерения систем распределения электрической энергии и электроснабжения предприятий, связанных с использованием электрической энергии.

По функциональному признаку ЭА высокого напряжения делятся на следующие виды:

- коммутационные аппараты (выключатели, выключатели нагрузки, разъединители);
- измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения, делители напряжения);
- ограничивающие аппараты (предохранители, реакторы, разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений);
- компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы);
- комплектные распределительные устройства (КРУ).

Главными коммутационными аппаратами тока на гидростанциях являются выключатели высокого напряжения (высоковольтные - ВВ), которые служат для включения генераторов и высоковольтных ЛЭП, отходящих от ГЭС, а также отключения их и других элементов электроустановок электростанции под нагрузкой и при коротких замыканиях. Выключатели выбирают по отключающей способности в режиме КЗ с учётом наибольших возможных значений тока КЗ (до нескольких десятков тысяч ампер). На рис. 6.22 и 6.23 представлены внешний вид полюса воздушного выключателя типа ВВБ и выключатель на ОРУ-500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС типа ВВБК-500А (воздушный выключатель баковый (Б), крупномодульный (К), арктического исполнения (А) - бак из нержавеющей стали).

Выключатели большой мощности устанавливаются в цепях присоединения генераторов к трансформаторам и в присоединениях ЛЭП в распределительных устройствах. С целью сохранения устойчивости параллельной работы энергосистемы и бесперебойного питания потребителей электроэнергии КЗ должны отключаться как можно быстрее. Выключатели должны при этом обладать высокой надёжностью, они должны быть взрыво- и пожаробезопасными. Конструкция выключателя должна обеспечивать его высокую ремонтопригодность.

В электрических установках небольшой мощности применяют ВВ, так называемые, выключатели нагрузки, которые рассчитаны лишь на включение и отключение токов нагрузки и не рассчитанные на отключение токов КЗ.

Важнейшим параметром ВВ, характеризующим его отключающую способность, является номинальный ток отключения - это тот наибольший ток короткого замыкания, который выключатель может надёжно отключить при напряжении равном наибольшему рабочему напряжению электроустановки без каких-либо повреждений, препятствующих его дальнейшей исправной работе при заданных условиях восстановления напряжения и заданном цикле операций.

Тот наибольший ток, который выключатель может надёжно отключить при тех же условиях, но при напряжении отличающемся от его номинального напряжения, называют током отключения выключателя (У). Под циклом операций понимают перечень коммутационных операций, который обязан совершить ЭА.

Автоматическое повторное включение одно из важнейших свойств выключателей. Оно гарантирует быстрый автоматический ввод в работу электрического оборудования (после его отключения релейной защитой) с целью повышения надёжности режима электросети по электроснабжению потребителей. Применяют АПВ ЛЭП, трансформаторов, сборных шин ОРУ и подстанций. Применяется АПВ одно- и многократного действия, а также однофазное АПВ (ОАПВ), трёхфазное АПВ (ТАПВ) и др. Эффективность АПВ тем выше, чем быстрее оно следует за аварийным отключением.

Предельным током отключения выключателя по условиям термической устойчивости называют наибольшее из значений его токов отключения при различных стандартных напряжениях.

Гашение электрической дуги переменного тока при отключении ВВ характерно тем, что каждые полпериода ток в цепи проходит через нуль, и дуга на очень короткий промежуток времени гаснет, т.е. чем энергичнее деионизация промежутка между расходящимися контактами ВВ, тем нужна большая скорость изменения напряжения, которое требуется для пробоя образовавшегося промежутка. Проектирование современных ВВ для крупных электростанций с мощными генераторами идёт по пути создания их дугогасительных устройств в среде сжатого воздуха под большим давлением. Дуга в этих ВВ гасится при помощи дутья сжатым воздухом, поступающим из соответствующих сосудов, скомпонованных в единой конструкции с выключателем.

В последние годы проектирование высоковольтных выключателей идёт по пути использования ещё более совершенной дугогасительной среды - элегаза (гексафторид SF6 - тяжёлый газ без цвета и запаха t - 51°С, t - 64°С; в воде не растворяется; химически инертен; в 5 раз превышает плотность воздуха; изолятор, электрическая прочность в 2 раза выше прочности воздуха). В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током в 100 раз превышающим ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. В элегазовых аппаратах гашение производится либо потоком элегаза, либо путём подъёма давления в камере за счёт дуги, горящей в замкнутом объёме газа.

Процесс изменения величины напряжения на дуговом промежутке от величины напряжения гашения дуги до напряжения источника называется процессом восстановления напряжения выключателя. Скорость восстанавливающегося напряжения является одним из важнейших параметров ВВ, она зависит от L и С (индуктивного и емкостного сопротивления) сети. С увеличением L и С скорость восстанавливающегося напряжения уменьшается и длительность горения дуги уменьшается.

Поэтому ВВ, устанавливаемые вблизи генераторов, где L и С меньше, при отключении токов КЗ находятся в более тяжёлых условиях нежели ВВ, устанавливаемые в электрических сетях. Кроме того, ВВ в цепи генераторов приходится отключать и значительно большие токи.

Под влиянием требований, возникших в недалёком прошлом в связи с интенсивным развитием энергосистем в России и появлением в них сверхмощных электростанций, в том числе ГЭС, а также большой концентрации ЛЭП и подстанций, были разработаны отечественные ВВ типа ВВБ и ВВБК. Требовалось существенное увеличение токов отключения и уменьшения скорости восстанавливающегося напряжения.

Основными преимуществами ВВ серии ВВБ являются: применение металлических камер со сжатым воздухом, т.е. обеспечивается безопасность обслуживающего персонала; (предшествовавшие выключатели серии ВВН имеют фарфоровые камеры, что взрывоопасно из-за малой прочности фарфора) эффективность и компактность дугогасительных устройств; возможность применения высокого даатения в камерах; защищённость основных механизмов от атмосферного воздействия и загрязнения; индустриальность ремонтно-профилактических работ поузловым методом (ремонт, при котором конструктивные узлы заменяют запасными, например, камерами, заранее подготовленными).

В последние годы в мире получило большое распространение применение элегаза в качестве дуго-гасящей среды, что существенно увеличило отключающую способность ВВ при значительном сокращении их габаритов.

Когда возникла необходимость создания крупных ГЭС с мощными и сверхмощными генераторами, то возникла и проблема создания ВВ, устанавливаемых в цепи генераторов непосредственно на его выводах (см. выше). Применительно к Саяно-Шушенской ГЭС номинальный ток ВВ при напряжении 15,75 кВ равен 28,5 кА, а ударный ток сквозного КЗ достигает 480 кА.

Так, для Саяно-Шушенской ГЭС был создан аппаратный генераторный комплекс (КАГ-15,75), объединяющий в себе: выключатель нагрузки, разъединитель, заземляющие ножи, трансформаторы тока и напряжения. Из-за сложности задачи КАГ-15,75 был создан лишь как выключатель нагрузки, он не способен отключать токи КЗ.

В последнее время в мире создаются аппараты для применения в цепях генераторов на значительно большие параметры с существенным уменьшением габаритов, также на основе применения элегаза. Разъединители применяются для коммутации элементов цепи при отсутствии тока. Это позволяет выводить оборудование для ревизии и ремонта (сначала ток отключается выключателем, потом цепь отсоединяется разъединителем). Таким образом, основным назначением разъединителей является обеспечение безопасности производства ремонтных работ в установках высокого напряжения.

Разъединители позволяют надёжно отсоединять (изолировать) те части электроустановки, на которых должны производиться ремонтные работы, от других частей установки, остающихся под напряжением.

Контакты разъединителей находятся в воздухе, что обеспечивает видимость места разрыва цепи. Расстояние между разомкнутыми контактами должно быть такое, чтобы для его электрического пробоя требовалось напряжение большее, чем для пробоя расстояния между фазой и заземленной частью конструкции разъединителя или между его фазами. Этим предотвращается возможность перекрытия электрической дугой между разомкнутыми контактами разъединителя при возникновении перенапряжений в электроустановке. Открытая электрическая дуга чрезвычайно опасна для обслуживающего персонала.

Разъединители используют для производства оперативных переключений, в особых случаях допускаются отключения, включения разъединителей под напряжением при небольшом токе холостого хода трансформаторов и ЛЭП.

Автоматические выключатели общего назначения (автоматы) применяются на разные номинальные токи, в том числе в цепях собственных нужд ГЭС они способны отключать токи КЗ до 150 кА. Автоматы имеют сложные контактно-дугогасительные устройства. Основные виды автоматов: универсальные, установочные (имеют изоляционный кожух); быстродействующие (устанавливаются обычно в преобразовательных установках в цепи постоянного тока); гашения магнитного поля роторов синхронных машин; защиты людей и животных от утечек на землю.

Универсальные автоматы постоянного и переменного тока применяют главным образом в распределительных устройствах низкого напряжения, в частности, на гидростанциях в электроустановках собственных нужд и в цепях оперативного тока.

Оперативным током называется постоянный и переменный ток, который используется в цепях релейной защиты и автоматики, участвующий в операциях по формированию информационных и командных сигналов в этих системах.

Трансформаторы тока (ТТ) преобразуют измеряемый ток в ток стандартного значения 1-5 А и изолируют цепи измерений и релейной защиты от цепей высокого напряжения. Главные требования к ТТ - малые погрешности в нормальном режиме и при КЗ в электроустановках и сетях.

Трансформаторы напряжения (ТН) преобразуют измеряемое напряжение в напряжение стандартного значения. Эти ЭА создают необходимую изоляцию между высоким потенциалом первичной обмотки и цепью вторичной обмотки, к которой присоединены измерительные приборы и защитные реле.

Предохранители служат для защиты силовых трансформаторов, воздушных и кабельных линий, конденсаторов, электродвигателей и трансформаторов напряжения.

Токоограничивающие реакторы служат для ограничения тока до значения не опасного для оборудования. Благодаря реактору напряжение на сборных шинах близко к номинальному значению. Реактор представляет собой чисто индуктивное сопротивление, включаемое последовательно с нагрузкой.

Реакторы шунтирующие включаются между токоведущими элементами и землёй для компенсации зарядной мощности (в основном ЛЭП).

Реактор представляет собой катушку с малым активным сопротивлением, витки катушки изолированы друг от друга, а вся катушка в целом изолирована от заземленных частей. Катушки могут заливаться в бетонные колонны (бетонный реактор); монтироваться в конструкции с фарфоровыми, асбест-бетонными или деревянными прокладками (деревянные реакторы) - это реакторы с воздушным охлаждением; могут помещаться в баки аналогично масляным трансформаторам и заливаться маслом. Последние реакторы с масляным охлаждением надёжно защищены от атмосферных воздействий, загрязнения, увлажнения. Кроме того, их можно устанавливать на любом расстоянии от стальных и железобетонных конструкций.

Разрядники и ограничители перенапряжений служат для ограничения напряжения, появляющегося при коммутационных и атмосферных перенапряжениях.

Контакторы служат для многократных включений и отключений электрической цепи низкого напряжения при токах нагрузки, не превышающих номинальный, а также для редких отключений при токах перегрузки (обычно 7-10-кратных по отношению к номинальному).

Пускатели предназначены для включения и отключения электродвигателей и отличаются от контакторов в основном наличием встроенной системы, осуществляющей защиту двигателей от токов перегрузки.
Электрические реле управления работают в схемах автоматического управления электроприводами. Коммутируемые токи не превышают 10А, и поэтому дугогасительные устройства в них не применяются. Электрические реле автоматики - это устройства для защиты электрических систем, сетей и цепей, а также другого оборудования (генераторы, трансформаторы, реакторы, крупные эл.двигатели и др.) от несанкционированных режимов работы; они формируют сигналы, оповещающие о приближении нештатных ситуаций и об их наступлении; реле усиливают, размножают, обрабатывают, кодируют и запоминают поступающую информацию; реле выдают управляющий сигнал на отключение соответствующих ЭА.

Аккумуляторные батареи. На гидростанциях в электроустановках как и на других объектах, где они имеются, применяются многочисленные вспомогательные электрические устройства и механизмы, в том числе наиболее ответственные устройства релейной защиты и автоматики, а также приводы электрических аппаратов и механических устройств защиты, двигатели-генераторы аварийного освещения и др. Все подобные устройства питаются электроэнергией от специальных источников, которые называют источниками оперативного тока. Соответствующие электрические цепи, питающие названные устройства, называют оперативными цепями, а схемы их питания - схемами оперативного тока. Цепи оперативного тока и их источники должны обладать исключительной надёжностью, поскольку от бесперебойности питания цепей автоматики и релейной защиты зависит и надёжность работы оборудования, и его целостность. В связи с этим оперативный ток должен поступать от источника, не зависящего ни от электрической сети энергосистемы ни от работы агрегатов электростанций при любой аварии. Такими источниками являются аккумуляторные батареи, которые располагаются на электростанциях (в зданиях ГЭС и на распределительных устройствах), а также на каждой подстанции, где необходим оперативный постоянный ток - это, как правило, крупные подстанции. В некоторых электроустановках используется переменный оперативный ток.

Наибольшее распространение получили аккумуляторы свинцовые (кислотные) и кадмиево-никеливые, железо-никеливые и серебряно-цинковые (щелочные).

Свинцовый аккумулятор состоит из двух блоков-пластин, погруженных в электролит (25-35%-ный водный раствор серной кислоты). Положительные пластины (плюсовые) из металлического свинца для увеличения поверхности контакта с электролитом имеют ребристую поверхность или выполнены из свинцовых каркасов, заполненных активной массой (перекись свинца). Отрицательные пластины (минусовые) представляют собой свинцовые каркасы, заполненные активной массой в виде губчатого свинца. Пластины после изготовления подвергаются электролитической обработке - формовке. Кассета - блок пластин чаще всего размещается в стеклянной банке. Совокупность таких элементов (банок), гальванически соединённых между собой либо параллельно, либо последовательно, либо смешанно - называется аккумуляторной батареей.

При разряде, т.е. в режиме, когда заряженная аккумуляторная батарея замкнута на внешнюю цепь, проходит разрядный ток и батарея работает в режиме источника. При этом активная масса плюсовых пластин, состоящая из перекиси свинца (РbO2 - коричневого цвета), и активная масса минусовых пластин - губчатый свинец (Рb - светло-серого цвета) переходят в сернокислые соединения свинца (PbS04) с выделением воды. Это приводит к уменьшению концентрации электролита его проводимости и ЭДС аккумуляторной батареи.

Химическая реакция при разряде выражается уравнением:
Рb02 + 2H2 SO4 +Рb -> PbSO4 + 2Н2O + PbSO4

Аккумуляторную батарею заряжают от постороннего источника постоянного тока, присоединяя его клеммы плюс к плюсу, минус к минусу заряжаемой батареи.

Без подзарядки эксплуатировать батарею нельзя во избежание сульфатации пластин - образования нерастворимого сернокислого свинца, после чего батарея приходит в негодность.
Напряжение заряда задаётся специальной инструкцией. По мере приближения к концу заряда часть подводимой к батарее энергии начинает расходоваться на разложение (электролиз) воды, содержащейся в электролите, что проявляется в виде выхода пузырьков газа на пластинах (кислорода - на плюсовой и водорода - на минусовой).

Это явление называют «кипением» батареи. Об окончании заряда судят по кипению батареи, удельному весу электролита (1,21 у заряженной батареи при +15°С) и величине подведённого к батарее напряжения.

Основной характеристической аккумуляторной батареи является её ёмкость, т.е. то количество электричества в ампер-часах, которое можно получить от батареи при разряде её до некоторого наименьшего допускаемого напряжения.

Схема с двойным элементным коммутатором предусматривает два режима работы аккумуляторной батареи - разряда и эпизодического заряда.

В качестве зарядных генераторов применяют генераторы постоянного тока с параллельным возбуждением, а также разного типа выпрямители тока.

Существуют схемы соединения аккумуляторных батарей с постоянным подзарядом. Например, на Саяно-Шушенской ГЭС батареи, работающие с постоянным подзарядом, практически не разряжаются. Они разряжаются лишь в случае неисправности или отключения подзарядного устройства в аварийных условиях или при проведении контрольных разрядов. А обычно эксплуатация батарей производится без тренировочных разрядов - зарядов и перезарядов. В режиме подзаряда автоматически поддерживается напряжение на один элемент (банку) 2,2+0,5 В. Точность стабилизации напряжения равна ±2%.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.