Примеры применения электрических аппаратов в сетях высокого и низкого напряжения

Электрические аппараты высокого напряжения работают в энергосистемах, представляющих собой совокупность электрических станций, трансформаторных подстанций и линий электропередачи высокого напряжения (от 6 до 1150 кВ). С ростом напряжения габариты аппаратов увеличиваются и при напряжении 500 кВ достигают высоты многоэтажного дома. В установках высокого напряжения применяются следующие аппараты: выключатели, предохранители, разъединители, отделители, короткозамыкатели, измерительные трансформаторы тока и напряжения, реакторы и разрядники. На основе аппаратов создаются различные комплектные распределительные устройства. Функционирование энергосистемы поддерживается аппаратурой релейной защиты и автоматики.

На рис. 1.1 приведена схема включения аппаратов на электрической станции и примыкающей к ней повышающей подстанции. От генераторов G через выключатели Q напряжение подается на сборные шины. Силовой трансформатор Т преобразует генераторное напряжение (20 кВ) в более высокое (220 кВ) для передачи его на дальние расстояния через линии электропередачи W, оперативные коммутации которых осуществляются выключателями. На фидерах установлены измерительные трансформаторы тока ТА, а на шинах — измерительные трансформаторы напряжения TV. Предохранители FU защищают трансформаторы TV от токов коротких замыканий. Вторичные обмотки измерительных трансформаторов подключаются к электрическим аппаратам релейной защиты и автоматики (РЗА). Для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений на шинах подстанции установлены разрядники F. На отходящих фидерах устанавливают реакторы LR, одно из назначений которых — ограничение токов короткого замыкания. На схеме не показаны разъединители, необходимые, прежде всего, для безопасного обслуживания элементов энергосистемы.

Рис. 1.1. Схема включения аппаратов на электрической станции и примыкающей к ней повышающей подстанции.

Рассмотрим пример применения аппаратов низкого напряжения. На рис. 1.2 приведена схема управления асинхронным двигателем М. Автоматический выключатель QF подключает цепь управления двигателем к питающей сети, а в отключенном положении отсоединяет нижестоящий участок электроустановки от сети. Многие современные выключатели обладают функцией гарантированного разъединения. Поэтому в данном случае для безопасного обслуживания установки рубильник с видимым разрывом не требуется. Выключатель QF может осуществлять также защиту электроустановки при коротких замыканиях, перегрузках и недопустимом снижении напряжения. Токи короткого замыкания и перегрузки вызывают опасный нагрев оборудования, а пониженное напряжение приводит к затормаживанию двигателя и повышению тока.

Управление работой двигателя выполняется посредством электромагнитного контактора КМ. Включение и отключение контактора происходит, соответственно, при нажатии кнопок SB1 (ПУСК) и SB2 (СТОП), включенных последовательно в цепь питания катушки КМ электромагнитного привода контактора от фазного напряжения сети. При нажатии кнопки SB1 помимо замыкания главных контактов контактора КМ замыкаются и его вспомогательные контакты, шунтирующие кнопку SB1, что исключает остановку двигателя при отпускании кнопки.

Рис. 1.2. Схема управления асинхронным двигателем.

Защита двигателя от перегрузки выполнятся тепловым реле КК. Нагревательные элементы реле включены последовательно в главную цепь контактора. При токе перегрузки происходит нагрев чувствительного элемента теплового реле. При достижении температуры срабатывания размыкающие контакты реле КК, включенные в цепь катушки контактора КМ, размыкаются, прерывая ток в цепи катушки, и контактор отключается под действием силы отключающей пружины. Предохранитель FU защищает цепь катушки при коротком замыкании. Контактор совместно с тепловым реле и кнопками образуют схему пускателя, который может производиться как самостоятельное изделие.

Главное отличие автоматического выключателя от контактора — наличие механизма свободного расцепления. В работе аппарата защиты возможны два взаимоисключающих процесса: включение аппарата и одновременно его автоматическое срабатывание. Механизм свободного расцепления обеспечивает автоматическое размыкание контактов при включении аппарата на короткое замыкание, независимо от работы включающего привода. Срабатывание выключателя в аварийных режимах выполняется по команде расцепителей, в основном теплового или электромагнитного действия. В выключателях, предназначенных для защиты разветвленных распределительных сетей, применяются электронные (микропроцессорные) расцепители, обладающие повышенной чувствительностью, быстродействием и селективностью и способные интегрировать аппараты в информационные сети.

Сети низкого напряжения, в отличие от высоковольтных, имеют большие кратности токов короткого замыкания относительно рабочих значений токов. Поэтому современные аппараты защиты выполняют токоограничивающими. Для ограничения тока используется естественно возникающая при коммутации дуга, обладающая достаточно большим электрическим сопротивлением. Токоограничение при отключении больших токов (сверхтоков) достигается за счет быстрого разведения контактов, поскольку раннее появление электрической дуги на начальном участке переднего фронта тока КЗ препятствует нарастанию тока до ударного значения. Использование электродинамических сил для разведения контактов позволило довести предельную коммутационную способность автоматических выключателей до 150 к, А и, благодаря токоограничению, в десятки раз уменьшить электродинамическое и термическое воздействие токов короткого замыкания на сети и электроустановки в целом.