Причины возникновения броска тока намагничивания
Причиной возникновения БНТ в силовых трансформаторах является резкое изменение уровня напряжения намагничивания. Хотя обычно возникновение БНТ связывают с включением трансформатора под напряжение, он также может быть обусловлен:
- Возникновением внешнего КЗ,
- Восстановлением уровня напряжения после отключения внешнего КЗ,
- Переходом КЗ из одного вида в другой (к примеру, переход однофазного КЗ в двухфазное КЗ на землю),
- Несинхронным подключением генератора к системе.
Поскольку ветвь намагничивания схемы замещения трансформатора, может быть представлена как шунт при его насыщении, ток намагничивания нарушает баланс между токами на выводах трансформатора. Дифференциальная защита воспринимает ток БНТ как дифференциальный, однако должна устойчиво функционировать в таком случае. Отключение трансформатора при БНТ является нежелательным с точки зрения условий обеспечения длительного срока службы трансформатора (отключение тока индуктивного характера вызывает высокие перенапряжения, что может представлять угрозу для трансформатора и быть косвенной причиной возникновения внутреннего КЗ).
Понятие намагничивающего тока
Внезапное возрастание, то есть бросок тока намагничивания (БТН), объясняется насыщением сердечника магнитной индукцией. Трансформаторы динамически устойчивы к броскам благодаря изготовлению обмоток с учетом больших по кратности токов, как правило, возникающих при замыканиях накоротко. В среднем намагничивающий ток превышает номинальное значение прибора в 6-8 раз.
Рис. 1. Условия появления БТН
В режиме короткого замыкания напряжение силового агрегата характеризуется предельным понижением до нуля, а после отключения зоны повреждения устанавливается на зажимах устройства скачкообразно.
Восстановление магнитного потока происходит неравномерно и не сразу, что обуславливает возникновение переходного процесса, в течение которого образуются два потока – установившийся ФУ и свободный ФСВ. Для определения общего значения используется формула:
ФТО = ФУ + ФСВ
В точке отсчета, характеризующей начальный момент времени при t = 0, ФТО также приравнивается к нулю, поэтому справедливым представляется равенство ФСВ = – ФУ. Знаки полярности магнитных потоков совпадают во втором полупериоде, и, соответственно, результирующая величина достигает пикового максимума (ФТмакс).
Рис. 2. Магнитные потоки в сердечнике под нагрузкой
Схематически наблюдается отставание ФУ от UТ на 90 градусов, что говорит о зависимости ФСВ и ФТмакс от фазы напряжения. Данные величины достигают наибольших значений при включении – в момент прохождения UТ через ноль
Если не брать во внимание постепенное затухание, ФТмакс ≈ 2ФУ. Но пиковая величина потока может быть и выше, когда в толще сердечника присутствует остаточное намагничивание Фост, по знаку совпадающее с ФСВ
Тогда:
ФТмакс = (2ФУ + Фост)> 2ФУ
Сердечник насыщается при значениях потоков, приближенных к 2ФУ, вызывая резкий бросок Iнам. Ток намагничивания образуется только в той обмотке цепи, на которую подается напряжение при включении. Он преобразуется через защитное устройство и поступает на реле, заставляя его срабатывать при соблюдении неравенства Iнам > Iс.з..
Порядок производства операций с разъединителями
Перед производством операций с разъединителем необходимо отключить выключатель, проверить его отключённое положение, на ключе управления выключателя вывесить плакат «Не включать работают люди
». Операции с разъединителями разрешается производить при отсутствии у них дефектов и повреждений. При обнаружении визуально или измерением дефектных изоляторов операции с разъединителями под напряжением выполняются только с разрешения ГИС.
Перед проведением операции включения необходимо приводом стронуть с места ножи разъединителя и убедиться, что в движение пришёл именно тот разъединитель (заземляющий нож), операции с которым производятся. Включение разъединителей следует производить быстро и решительно, но без ударов в конце хода.
Начатая операция включения должна быть доведена до конца. Обратный отвод ножей разъединителей при появлении дуги запрещается.
Отключение разъединителей следует производить медленно и осторожно. Вначале необходимо сделать небольшое движение приводом, чтобы убедиться в отсутствии качаний и дефектов изоляторов
Если в момент размыкания контактов между ними возникнет дуга, разъединитель необходимо немедленно включить и до выяснения причины возникновения дуги операции с ним не производить. Исключение составляют операции по отключению разъединителями намагничивающего тока трансформаторов, зарядного тока шин. Отключение разъединителей в этих случаях следует производить быстро, чтобы обеспечить быстрое гашение возникшей дуги. При этом, дежурный, выполняющий операции должен находиться под защитным козырьком для ограждения от воздействия электрической дуги или оперировать разъединителем дистанционно. После отключения разъединителя необходимо убедиться, в отключённом положении всех трёх фаз, и что привод зафиксирован в отключённом положении.
При операциях с однополюсными разъединителями всегда следует сначала отключать разъединитель средней фазы, затем поочерёдно отключаются крайние фазы. Операции по включению однополюсных разъединителей проводятся в обратном порядке.
Категорически запрещается производить включение и отключение разъединителей при включённом выключателе.
При подготовке рабочих мест приводы заземляющих ножей присоединений КРУ-6 кВ должны запираться висячими замками, ключи должны храниться у оперативного персонала.
Заземление оборудования, линий электропередач (воздушных или кабельных), а также участков сети должно производиться только после того, как они будут отключены со всех сторон видимым разрывом.
Перед включением заземляющих ножей необходимо стронуть с места рукоятку привода и убедиться в том, что в движение пойдёт именно тот заземляющий нож, операция с которым должна выполняться. Если в момент включения заземляющих ножей возникла дуга, а защиты не подействовали на отключение источников напряжения, отводить назад включённый заземляющий нож не допускается, операция должна быть доведена до конца.
Перед операцией включения заземляющих ножей, наложения переносного заземления должна быть выполнена проверка отсутствия напряжения. Порядок проверки отсутствия напряжения проверяется согласно «ПТБ при эксплуатации электроустановок».
Разъединители для внутренней установки
Эти разъединители выполняют обычно вертикально-рубящего типа с ножами, поворачивающимися в вертикальной плоскости, перпендикулярной основанию.
Рис.2. Трехполюсный разъединитель типа РВР 10 кВ, 2000 А с двумя комплектами заземляющих ножей
Трехполюсный разъединитель типа РВР — внутренней установки, рубящий (рис.2) — имеет два опорных изолятора 1 на полюс, установленных на основании 2 из профильной стали. Третий — тяговый изолятор 3 служит для приведения в движение главных ножей 4. Разъединители снабжены дополнительными ножами 5 для заземления — одним или двумя на каждый полюс. Для управления главными ножами служат вал 6 и система рычагов каждого полюса. Ведущие рычаги укреплены на валу и соединены шарнирно с тяговыми изоляторами. Последние соединены с ножами. Вал приводится во вращение с помощью привода. При этом главные ножи поворачиваются на угол около 60°. Заземляющие ножи 5 каждой стороны укреплены на особых валах 7 и соединены между собой медной шиной 9. Для управления заземляющими ножами необходимы особые приводы. Токоведущие части разъединителя (зажимы 8 для присоединения шин, контакты, ножи) выполняют в соответствии с номинальным током разъединителя. Чем больше последний, тем больше сечение ножей.
Рис.3. Контактная система разъединителя типа РВР 10 кВ, 1000 А
У разъединителей с номинальным током до 1000 А включительно (рис.3) ножи состоят из двух медных полос 1 прямоугольного сечения, охватывающих контактную стойку 2. Боковые поверхности стойки имеют цилиндрическую форму и образуют с пластинами ножа линейные контакты. Давление в контакте создается пружинами 3, насаженными на стержень. Давление на ножи передается через стальные пластины 4 с выступами. При КЗ и резком увеличении тока пластины ножа притягиваются друг к другу, увеличивая давление в контакте. Стальные пластины увеличивают магнитную индукцию и создают дополнительное давление в контактах. Такого рода магнитными замками снабжают большую часть разъединителей.
У разъединителей с номинальным током свыше 1000 А главные ножи состоят из двух и четырех частей коробчатого сечения (рис.2). Контактные поверхности покрывают слоем серебра толщиной 20 мкм. Предусматривают также магнитные замки.
Для управления главными и заземляющими ножами предусматривают приводы, устройство которых зависит от номинального тока разъединителя. Ручной привод представляет собой систему рычагов или зубчатых передач, с помощью которых человек может повернуть вал разъединителя. Чем больше номинальный ток разъединителя, тем больше силы трения в контактах. Соответственно должен быть рассчитан механизм привода.
Разъединители с номинальным током 4000 А и выше снабжают приводами с червячной передачей, управляемыми вручную или с помощью электродвигателя. Для заземляющих ножей имеются отдельные приводы, обычно рычажные. Последние блокируют с приводами главных ножей, чтобы исключить возможность включения заземляющих ножей при включенных главных ножах, а также возможность включения главных ножей при включенных заземляющих ножах.
Рис.4. Установка трехполюсного разъединителя типа РВР с заземляющими ножами
На рис.4 показана установка трехполюсного разъединителя 10 кВ, 2000 А с двумя комплектами заземляющих ножей. Привод главных ножей 1 — электродвигательный, а приводы заземляющих ножей 2 — червячные. У всех приводов предусмотрены блок-контакты 3 для сигнализации положения и блокировки.
Предъявляемые требования
Главным требованием ко всем высоковольтным разъединителям является такая конструкция, которая предусматривает такое отключение, когда хорошо виден разрыв цепи. На приборы, применяемые для расцепления линий свыше 1 кВ распространяются требования ГОСТ Р 52726-2007, предусматривающие:
- термическую и электродинамическую устойчивость конструкции;
- высокое качество изоляции, способной работать в различных атмосферных условиях и выдерживать всевозможные перенапряжения;
- уверенное включение или отключение при всех допустимых условиях, включая обледенение элементов конструкции;
- простота конструкции, обеспечивающая надежность разъединения, удобство монтажа и эксплуатации.
Отдельные требования распространяются на соблюдение особенностей установки, правил эксплуатации и профилактических мер по поддержанию разъединителей в актуальном состоянии.
Источник
Почему происходит бросок при включении
Кратковременный скачок характеризуется броском намагничивающего тока трансформатора (БТН). Его значения на одном и том же приборе могут отличаться по величине при разных включениях. Причиной образования БТН в силовых устройствах является внезапное изменение уровня напряжения намагничивания. Помимо нагрузки, передаваемой на обмотку, скачок может быть вызван и другими причинами:
- внешнее короткое замыкание (КЗ);
- восстановление напряжения в контуре;
- преобразование КЗ;
- несинхронное подключение генератора.
Ток намагничивания вносит дисбаланс на выводах трансформатора. Защита прибора воспринимает БТН как дифференциальный ток. Но чтобы она корректно выполняла свое назначение, система должна эффективно функционировать и отстраиваться с учетом БТН путем включения в цепь таких вспомогательных устройств, как промежуточные трансформаторы.
При включении обмотки на полную нагрузку вследствие асинхронного распределения мощности и переходных волновых процессов возникает высокое перенапряжение, способное вызвать внутреннее короткое замыкание.
Важно! Перенапряжения по причине БТН являются безопасными только при правильной организации дифференциальной защиты системы
Операции с ячейками КРУ
В ячейках КРУ предусмотрены блокировки:
- не допускающая вкатывания тележки MB в рабочее положение и выкатывания ее из рабочего положения при включенном выключателе;
- не допускающая включения заземляющего разъединителя при нахождении тележки MB в рабочем положении и не допускающая перемещения тележки в рабочее положение при включенном заземляющем разъединителе;
Перед вкатыванием тележки MB необходимо убедиться, что шторки освобождены от навесных замков, а заземляющие разъединители отключены.
Перед вкатыванием тележки MB из контрольного в рабочее положение необходимо включить штепсельный разъем и произвести опробование выключателя.
Вкатывание тележки MB из контрольного в рабочее положение производится при отключенном MB до соприкосновения втычных контактов. Затем с помощью механизма доводки тележка фиксируется в рабочем положении.
Перед выкатыванием тележки из рабочего положения в контрольное необходимо убедиться в отключенном состоянии MB.
Операции со штепсельным разъемом цепей вторичной коммутации разрешается производить только в контрольном положении тележки MB. Запрещается разъединение разъема при рабочем положении тележки.
При выкатывании тележки из контрольного положения в ремонтное штепсельный разъем должен быть отсоединен.
Принцип работы трансформатора тока
Пожалуй каждый, кто когда-нибудь работал с аналоговой электроникой, сталкивался наводками от сети 220В. Казалось бы, если от этих наводок так сложно избавиться, то может быть и определить включение нагрузки должно быть очень легко? Однако всё оказалось не совсем так просто.
Действительно, простейший измерительный трансформатор тока можно сделать из мотка обычного двухжильного силового кабеля — по одной из жил запустить измеряемый ток, а с другой снимать полезный сигнал. Попробуем прикинуть (хотя бы по порядку величины), какое напряжение образуется на концах «сигнальной» жилы, если через «силовую» пропустить ток к целевой нагрузке? Может этого будет уже достаточно для решения поставленной задачи?
Моток кабеля в такой конфигурации по сути представляет собой трансформатор с воздушным сердечником. Ток, проходящий через витки силовой жилы, формирует переменное магнитное поле. Это поле создаёт электродвижущую силу ЭДС индукции в каждом витке сигнальной жилы. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока проходящего через окружённую витком поверхность:
Если предположить, что витки в мотке кабеля уложены достаточно плотно, а ток в измерительной жиле равен нулю, то магнитный поток через все витки будет одинаковым, и его можно будет посчитать как произведение индуктивности одного витка , числа витков и тока в силовой жиле . ЭДС во всех измерительных витках будет одинакова и суммарное напряжение на концах сигнальной жилы будет равно произведению числа витков на ЭДС в одном витке:
В бытовой сети переменного тока , где — частота, равная 50 Гц, а — амплитудное значение силы тока. Значение можно определить исходя из мощности нагрузки и действующего значения напряжения , равного 230 В. В итоге для производной тока по времени получаем такую формулу:
Например, для нагрузки мощностью 1 кВт, подключённой к обычной бытовой сети с напряжением 230 В, вычисленная по этой формуле амплитуда производной тока по времени получится чуть меньше 2000 ампер в секунду.
Индуктивность одного витка посчитаем исходя из радиуса нашего мотка и радиуса проволоки, из которой сделана жила кабеля :
Здесь — магнитная постоянная. Для мотка кабеля диаметром 10 см, имеющего жилы диаметром 2 мм, индуктивность витка получается около 0.25 мкГн. Если такой моток сделать из кабеля длиной 10 метров, то получится около 30 витков. В итоге для нашей нагрузки в 1 кВт напряжение на разомкнутой сигнальной жиле получится таким:
Значение получается вполне детектируемое, но что произойдёт в момент включения или выключения нагрузки, когда ток может изменяться в десятки или даже сотни раз быстрее, чем при нормальной работе? В этом случае вместо 450 мВ на концах сигнальной жилы может быть скачок напряжения в несколько десятков или даже сотню вольт, который вполне может повредить вход микроконтроллера.
Чтобы решить проблему с зависимостью ЭДС индукции от частоты сигнала, в трансформаторах тока используется совсем другой режим работы — вместо того, чтобы разомкнуть вторичную обмотку и измерять на ней напряжение, она замыкается накоротко и измеряется проходящий через неё ток.
Как только в сигнальной жиле появляется ток, он создаёт своё собственное магнитное поле, направленное противоположно исходному. В идеальном случае ток в сигнальной жиле мгновенно вырастет настолько, что полностью компенсирует магнитный поток силовой жилы. Для рассмотренного выше случая с одинаковым числом витков силы тока в двух жилах окажутся равны, а ЭДС индукции в сигнальной жиле будет стремиться к нулю. При разном числе витков отношение токов в силовой и сигнальной обмотках будет определяться отношением числа витков: , а суммарный магнитный поток и ЭДС индукции также будут стремиться к нулю.
Конструкция и принцип работы
Конструкция аппаратов разрабатывается с соблюдением следующих принципов:
- присутствие визуальной видимости текущего положения разъединителя;
- невозможностью самопроизвольного включения или отключения линии.
Устройство лишено элементов, предназначенных для искрогашения, поэтому, чтобы исключить возникновение дуги при установке на оборудовании с высоким напряжением, указанные аппараты подключаются совместно с выключателями. Таким образом разъединителем линия отсоединяется только после отключения подачи напряжения.
Конструктивно разъединители состоят из жёсткой рамы со смонтированными на ней следующими элементами:
- неподвижными изоляторами, под каждый фазный провод;
- статичными контактами и ножами, замыкающими и размыкающими цепь;
- механизмом, управляющим ножами;
- блокировками.
Конструкция разъединителя РВ-10 Аппараты, рассчитанные на работу с высокими напряжениями, имеют два контактных полуножа, которые разводятся в противоположные стороны, что позволяет исключить опасность пробоя между контактами(пример на фото выше он находиться слева РГП-35 с 2-мя полуножами).
Также присутствуют конструктивные особенности, в зависимости от разновидности устройства.
Срабатывание аппарата достигается путём поворота контактных ножей, включающих или отключающих линию. Это может выполняться вручную или посредством специального механизма, обеспечивающего автоматическое срабатывание разъединителя.
Подключение трансформатора тока
Подключение трансформатора тока в цепь может осуществляться сразу несколькими способами:
Схема 1
Итак, данная система состоит сразу из трех трансформаторов тока, которые обобщены и закреплены в одну звезду. Эту схему принято использовать в качестве цепной защиты от короткого замыкания (будь то многофазное или однофазное замыкание). В том случае, если по цепи проходит ток ниже установленного уровня реле (ka 1-ka 3), то режим работы будет считаться нормальным и цепная защита короткого замыкания не сработает.
Схема №1
Стоит сказать, что ток, протекающий в цепи от ka 0-реле, принято воспринимать в виде геометрической суммы тока (сумма всех 3-х его фаз) Если увеличить в какой-либо фазе ток, то защитная цепь короткого замыкания включится в работу (реле (ka 1-ka 3)).
Для отключения трансформатора в этой цепи и схеме необходимо по-просту приземлить ток.
Схема 2
Вторая схема подключения трансформатора тока в цепь имеет схожие черты с первой. Однако, есть существенные отличия, о которых нельзя не сказать
Итак, это структура, включающая несколько трансформаторов тока, как правило, используется в целях безопасности цепи от межфазного замыкания (важное замечание — электрическая цепь имеет нейтральную заземленность)
Схема №2
Данная система начнет работать в случае прохождения тока через реле (опять же ka 1-ka 3) и наличия не самых мощных элементов (потребителя и источника).
Схема 3
Пришло время поговорить и о схеме под номером три, не имеющей серьезных отличий от предыдущих. Она представляет из себя некое соединение в форме треугольника, где нормальный режим работы осуществляется путем проникновения тока в реле.
Схема №3
Как правило, эта структура применяется в электрических установках для проведения релейных ( релейных — означает дифференциальных, которые отличаются своей селективностью и быстротой действия).
Схема 4
И, наконец, последний — четвертый вид схемы.
Схема №4
Данная структура считается достаточно практичной и универсальной. Это связано с тем, что процесс подключения трансформатора тока в таком виде не только позволяет защитить электрическую цепь от однофазных/межфазных замыканий, но и способна повысить величину тока в необходимых реле.
Отключение также происходит путем заземления.
Отключающая способность разъединителей
Под отключающей способностью разъединителя следует понимать его способность отключать ток порядка нескольких ампер или нескольких десятков ампер при определенных условиях.
Процесс отключения цепи разъединителем протекает следующим образом. При размыкании разъединителя на разрывах образуются дуги. Под действием магнитного поля и выделяющеюся тепла они поднимаются и вытягиваются в виде петель (рис.6). Такие дуги принято называть свободными или открытыми.
Рис.6. Свободная дуга на контактах разъединителя
Вследствие слабой деионизации дуговой столб сохраняет свою проводимость в моменты перехода тока через нулевое значение и дуга горит в течение десятков периодов. По мере удлинения дуги ее сопротивление и напряжение на разрыве увеличиваются, а ток уменьшается (рис.7).
Рис.7. Осциллограммы тока и напряжения на контактах разъединителя: а — размыкание кольцевой линии 33 кВ с током 133 А, длительность дуги 22 периода; б — отключение ненагруженного трансформатора с током 18 А, длительность дуги 25 периодов
При определенной длине дуги, называемой критической, напряжение сети оказывается недостаточным для ее поддержания, ток спадает до нуля, а напряжение на разрыве восстанавливается до напряжения сети. Вследствие сильного демпфирования восстанавливающееся напряжение не содержит составляющих высокой частоты, характерных для выключателей, снабженных гасительными камерами.
Опытами установлено, что свободная дуга переменного тока в воздухе угасает, если имеется достаточное пространство, чтобы она могла достигнуть критической длины и если расстояние между контактами разъединителя достаточно, чтобы исключить ее повторное зажигание. Максимальный вылет дуги, т.е. наибольшее расстояние от средней точки прямой, соединяющей контакты разъединителя, до точки наибольшего удаления дуги, зависит от напряжения сети и отключаемого тока.
Рис.8. Зависимость максимального вылета дуги на контактах разъединителя от тока и напряжения
На рис.8 показана эта зависимость применительно к отключению индуктивного и активного токов.
Отключение разъединителем даже относительно небольших токов, в особенности емкостных, связано с опасностью переброса дуги на соседние фазы и на заземленные части, что недопустимо. По мере увеличения напряжения и отключаемого тока эта опасность увеличивается. Правила технической эксплуатации электроустановок (ПТЭ) разрешают операции включения и отключения электрических цепей разъединителями при строго определенных условиях. Так, например, разрешается включение и отключение разъединителями измерительных трансформаторов напряжения. При напряжениях до 10 кВ разрешается включать и отключать разъединителями наружной установки нагрузочный ток до 15 А. При более высоких напряжениях значения допускаемых отключаемых токов ставятся в зависимость от расстояний между полюсами. В табл.1 указаны допускаемые ПТЭ токи отключения для наиболее распространенных разъединителей серии РНД.
Таблица 1
Наибольшие токи намагничивания трансформаторов и зарядные токи линий, допускаемые к отключению в наружных распределительных устройствах разъединителями горизонтального типа
Источник: