Электротехника. VII. Коммутация электрических станций и выбор аппаратуры

Электротехника. VII. Коммутация электрических станций и выбор аппаратуры. 1. Схема электрического соединения станции главным образом определяется ее назначением и мощностью. В настоящее время станции с электрической точки зрения делятся на станции постоянного и переменного тока. Последние же в свою очередь разделяются: 1) на станции городские, фабрично-заводские, обслуживающие относительно ограниченный круг потребителей с генераторным напряжением (до 10 500 В) без его повышения, 2) на районные, подающие энергию высоким напряжением (до 220 000 В), для чего необходимо иметь особые повысительные трансформаторные подстанции, и, наконец, 3) на теплоэлектроцентрали, электрически связанные с одним из первых типов. Это разделение станций на три основных типа может быть легко уяснено, если проследить по схеме рис. 1 различие в способе доведения энергии до потребителя с применением повысительных трансформаторов или без них. На схеме А представлена городская или фабрично-заводская станция, производящая энергию при напряжении до 10,15 кВ и распределяющая ее при том же генераторном напряжении посредством кабельных или воздушных линий с тем, чтобы на месте потребления произвести с помощью трансформаторов понижение напряжения до значений, необходимых для применения в двигателях или других электрических приемниках. На схеме В представлена теплоэлектроцентраль, причем связь с районом, обладающим самостоятельной электрической станцией, осуществляется либо непосредственно, либо посредством особых регулируемых трансформаторов, могущих передавать энергию не только в район, но и брать таковую из района, когда не существует баланса между тепловой и электрической мощностями станции. Наконец, на схеме С изображена районная централь, подающая всю энергию через повысительный трансформатор по линии электропередачи к потребителю. На всех схемах стрелками показано направление течения энергии.

Рис. 1.

В настоящее время различают схемы: а) принципиальные, дающие представление о направлении течения основной энергии; б) однолинейные, с показанием всех приборов и аппаратов как последовательного, так и параллельного соединения, с необходимыми подробностями, достаточными для составления спецификации; в) трехлинейные с показанием полного соединения всех элементов установки как на стороне высокого, так и низкого напряжения, как переменного, так и постоянного тока; и г) монтажные.

Каждая установка должна обладать принципиальной схемой, обеспечивающей наиболее целесообразную связь основных ее элементов, облегчающей эксплуатационные переключения и дающей надежность коммутационных манипуляций при авариях. В то же самое время остановка, построенная по этой принципиальной схеме, должна быть технически совершенной и рентабельной в нормальной эксплуатации.

Рис. 2.

В дальнейшем мы рассмотрим главным образом принципиальные схемы, как уясняющие картину путей протекания энергии, и отчасти остановимся на однолинейных схемах, необходимых для выбора аппаратуры на станциях.

Схемы станций, вся энергия которых коммутируется на генераторном напряжении, применяются для городских и фабрично-заводских станций и отчасти теплоэлектроцентралей. При постоянном токе и применении шунтовых генераторов схема станции будет чрезвычайно проста (рис. 2). Для включения на параллельную работу предусмотрена на минимальном выключателе A₁ лампа, по погасанию которой при замкнутом рубильнике В₁ и равенстве напряжений между точками 1-2 и 3-4 можно судить о совпадении полярностей двух машин, то есть о возможности выключения. Минимальный автоматический выключатель тока поставлен для защиты генератора от перехода его на работу двигателем. Вместо простого рубильника В₁ можно было бы поставить максимальный автомат, регулируя его на допустимый ток перегрузки. В этом случае предохранители будут защитой от короткого замыкания и действуют при неисправности максимального автомата. Перевод нагрузки от одного генератора на другой производится изменением их возбуждения, как это известно из рассмотрения параллельной работы машин постоянного тока (см. электротехника — электрические машины).

Нагрузка станции в течение суток и в различные времена года не остается постоянной, но меняется в зависимости от характера потребителя и условий отпуска энергии (тариф). Для наилучшего использования машин на станциях постоянного тока обычно употребляют для совместной с ними работы емкостную аккумуляторную батарею, которая отдает энергию в периоды максимальных нагрузок и заряжается свободной мощностью машин в периоды слабой нагрузки станции. Величина аккумуляторной батареи определяется в каждом отдельном случае особо, в зависимости от условий эксплуатации и стоимости ее установки и ухода за ней. Из схем станций постоянного тока с аккумуляторной батареей мы рассмотрим одну, наиболее распространенную. Как известно, аккумуляторная батарея состоит из отдельных элементов, соединенных последовательно, поэтому ее напряжение определяется формулой U = е · n, где е — напряжение одного элемента, а n — их число. На станциях при станционарных установках употребляются почти исключительно свинцовые аккумуляторы (см. I, 587 сл.). Наименьшее напряжение разряда, допускаемое для элемента без опасности повреждения его, равно 1,8 или 1,88 В, максимальное зарядное напряжение будет 2,55, иногда 2,7 В. Напряжение при начале разряда равно 2,1 В, устойчиво держится на 2 или 1,9 В и затем медленно спадает. Выгоднее разряжать батарею малым током; например, при разряде в течение 7,5 часов емкость на 30% больше, чем при разряде в 3 часа. Коэффициент полезного действия аккумуляторной батареи по киловатт-часам равен от 0,7 до 0,855, а по ампер-часам от 0,88 до 0,92. Минимальный зарядный ток не должен быть ниже соответствующего восьмичасового разрядного и максимальный зарядный — не выше двухчасового разрядного.

Рис. 3.

Аккумуляторные батареи по назначению распределяются на емкостные, буферные и вспомогательные. Назначение емкостных батарей отмечено выше; буферные, работая параллельно с генераторами, воспринимают на себя все кратковременные толчки нагрузки, тем разгружая генераторы и уменьшая потребную мощность станции. Вспомогательные употребляются для обслуживания собственных нужд электрических станций переменного тока, снабжая энергией от независимого источника сигнальные, обслуживаемые на расстоянии и иные приспособления.

На рис. 3 представлена схема такой вспомогательной батареи с зарядным агрегатом. Включая рубильник А, мы присоединяем аккумуляторную батарею к сети, и ток разряда от ее плюса через верхнюю ручку элементного коммутатора, плюсовую шину, сеть, минусовую шину, амперметр (указатель направления тока) и предохранитель попадает в минус батареи. Роль двойного элементного коммутатора (в более простых схемах он может быть одинарным) заключается в том, чтобы, с одной стороны, включая большее или меньшее число элементов аккумуляторной батареи, поддерживать постоянное напряжение при разряде, а затем, при одновременной работе генератора на сеть и заряд батареи, обеспечить нормальное протекание последнего, так как к нему подведены ответвления от некоторого числа элементов.

Всякую схему с аккумуляторной батареей необходимо рассматривать с точки зрения выполнения ею следующих основных режимов работы: 1) машина одна работает на сеть, 2) аккумуляторная батарея одна работает на сеть, 3) машина и батарея работают параллельно, 4) машина заряжает батарею, и 5) машина заряжает батарею и одновременно питает сеть. Рассматривая нашу схему, мы видим, что для первого режима необходимо переключатель К поставить влево и замкнуть минимальный автомат 2. Второй режим осуществляется включением рубильника А при отключенном К и 2. Переключатель К для третьего режима стоит вправо, а генератор при доведении его напряжения до напряжения батареи помощью минимального автомата 2 присоединяется параллельно к сети, причем для этого нужно, чтобы ручка элементного коммутатора ставилась бы всегда на таком элементе, чтобы батарея давала напряжение, равное напряжению шин. Четвертый режим осуществляется так же, как и предыдущий. В этом случае ток протекает от плюс генератора через верхнюю ручку Z₁, плюс батареи, проходит батарею, заряжая ее, и далее, через указатель направления тока, выключатель А возвращается через минусовую щетку в генератор. Необходимо помнить, что аккумуляторная батарея не меняет свои полюса — заряжается или разряжается она, меняется только направление тока; поэтому всегда плюс генератора соединен с плюсом батареи, а минус первого с минусом второй. При отключенных внешних фидерах мы напряжение генератора поднимаем до напряжения, необходимого для заряда, то есть до 2,45 В на каждый элемент батареи. Самым сложным режимом является пятый. В рассматриваемой схеме он осуществляется при постановке переключателя К вправо. Так как для заряда необходимо повышать напряжение генератора, а для питания внешней сети держать его постоянным, то одновременно удовлетворить этим противоречащим требованиям можно следующим образом. Разрядную ручку Z₁ элементного коммутатора ставим так, чтобы между ней и точкой А было нормальное напряжение сети, и все время его поддерживаем постоянным, передвигая первую. Замыкая выключатель 2 при К, стоящем вправо, зарядную ручку Z₂ ставим на крайний разряженный элемент и напряжение генератора регулируем таким образом, чтобы через батарею шел нормальный зарядный ток (его величина указывается заводом, поставляющим аккумуляторы). Тогда разница между напряжением генератора и сети будет падать на элементы, заключенные между ручками Z₁ и Z₂ коммутатора. Ток генератора, попадая в ручку Z₂, проходит эти элементы, разветвляется на том из них, где стоит ручка Z₁, причем одна часть его, равная нормальному зарядному току, проходит батарею, другая, равная нагрузке сети, через ручку Z₁ отправляется в сеть.

Оба тока соединяются в точке В и через выключатель 2 замыкаются на минусовую щетку генератора. Такая работа возможна только тогда, когда ток сети, являющийся током перегрузки для элементов между ручками коммутатора, не будет больше 25% зарядного тока.

Способ заряда (режим четвертый и пятый) осуществляется здесь помощью повышения напряжения у зарядного генератора. Недостатком его является необходимость иметь генератор с широкой регулировкой напряжения (от 1,83 n V до 2,5 n V, где n — число элементов батареи), то есть с большим количеством железа и малым насыщением. Такие машины стоят гораздо дороже, чем обычные. Вторым способом заряда является деление батареи на две или три части, причем последний более экономичен. Если обозначить части батареи через А, В и С, то сначала для заряда соединяют последовательно А с В, затем А с С и, наконец, В с С. Так как нормальное напряжение при осуществлении режима пятого будет выше, чем потребное для заряда двух частей батареи, то необходимо в зарядную ветвь последовательно включить регулируемое сопротивление, которое поглощает разницу напряжений. Этим вызываются добавочные потери, и в результате получается меньшая экономичность этого способа по сравнению с первым.

Наиболее совершенным способом заряда при удобстве манипулирования и легкости перехода от работы с одного режима на другой является способ с применением вольтодобавочной машины.

Из схем станций переменного тока мы рассмотрим только наиболее часто употребляемые. Самой простой для низкого напряжения будет схема, изображенная на рис. 4, которая в основном пояснений не требует. Синхронизирующее приспособление, состоящее из лампы и нулевого вольтметра, включено между генератором и шинами. Тогда при постановке переключателя на контакты а и b мы осуществляем соединение между соответственными 2 и II фазами генератора и шин, а между 1 и I включаем фазовую лампу и страхующий ее работу нулевой вольтметр. При затухании лампы и нулевом показании вольтметра можно включать рубильник генератора II. Так как напряжение на шинах получается только при включенном рубильнике генератора I, то синхронная работа с шинами соответствует синхронной работе двух генераторов.

Рис. 4.

Прибавляя контакты у вольтметрового переключателя, мы можем осуществить синхронизацию между несколькими машинами. Подобный способ включения генераторов на параллельную работу возможен только после того, как найдено соответствие фаз шин и генератора, т. е. известен порядок чередования фаз.

Для станций высокого напряжения необходимо синхронизирующее приспособление и все измерительные и контрольные приборы включать через особые измерительные трансформаторы тока и напряжения (см. электротехника – электрические измерения). Так как, согласно стандарта, наивысшее напряжение генераторов переменного тока, изготовляемых в Союзе, не должно быть больше 10,5 кВт, то естественно возникает вопрос о тех предельных значениях мощностей параллельно присоединяемых генераторов, которые ограничиваются, с одной стороны, надежностью устройства собирательного и распределительного сооружения, а с другой – удобством и бесперебойностью эксплуатации. Многочисленные подсчеты и практика применения высоковольтной аппаратуры показали, что сосредоточивание на шинах напряжением 6 кВт генераторной мощности более 25 000 кВт, а на шинах напряжением 10,5 более 50 000 кВт является практически совершенно неосуществимым. Если подсчитать нормальный ток для первого и второго случаев, то мы получим величины порядка 2 500 амп. Для еще бóльших токов самая ошиновка является уже затруднительной. Но с этим можно было бы справиться помощью специальных мероприятий, если бы не те трудности, с которыми связано само конструирование аппаратуры, надежно работающей при дефектах и коротких замыканиях в системе. Получаемые термические и динамические усилия так велики, что при выходе из указанных пределов мощностей гарантировать бесперебойность и спокойную работу установки не представляется возможным.

В случае, когда необходимо коммутировать еще большие мощности на генераторном напряжении, как это имеет место при снабжении больших фабрично-заводских комбинатов (типа Магнитогорск и пр.), приходится идти на целый ряд мероприятий, обеспечивающих надежное решение задачи. К числу наиболее часто применяемых приемов относится деление собирательно-распределительных шин на несколько отдельных секций, питаемых генераторами общей мощностью равной цифрам, указанным выше (в зависимости от напряжения) и соединенных между собой реакторами, то есть реактивными сопротивлениями, уменьшающими величину тока короткого замыкания до пределов, которые вызывают допустимые термические и динамические напряженности в аппаратуре, и поддерживающими напряжение в установке при коротком замыкании за ними.

Из особо распространенных схем коммутации мощных станций на генераторном напряжении укажем на системы — прямую (А), кольцевую (В) и звезду (С), изображенные на рис. 5.

В нормальных условиях (схема А) мощность фидеров каждой секции соответствует мощности генераторов, ее питающих, так что никакого протекания значительного тока через реактор нет, но система находится в состоянии параллельной работы. При выпадении одного из генераторов питание фидеров переходит к остальным, причем энергия, прежде чем попасть на секцию с отключенным генератором, должна пройти один или два реактора, в зависимости от того, по какой секции выпал генератор. Так как в реакторе при прохождении через него тока тратится напряжение, то на разных секциях, а значит и у приемников, включенных в них, будут различные напряжения, что является недостатком схемы А.

Рис. 5.

При коротком замыкании на одной секции напряжение на других, отделенных от места повреждения реакторами, не упадет до нуля, а будет несколько снижено до тех пор, пока выключатель, включенный последовательно с реактором, не произведет отключения больной секции. Это действие реактора мы поясним несколько ниже.

Отмеченные недостатки схемы А особенно резко выступают в эксплуатации, когда число секций будет больше трех. В таком случае лучше перейти к схеме В или С, вообще говоря равнозначущим по своим достоинствам. Схема В (кольцо) обладает большими преимуществами перед схемой А в смысле надежности питания любой секции от соседних с меньшей потерей напряжения, но все же не является свободной от некоторых недостатков, например, в случае расширения станции при кольцевой системе необходимо нарушить условия нормальной эксплуатации и произвести большие переделки.

В схеме С (звезда Скотта) указанные недостатки отсутствуют, так как при выпадении одного из генераторов питание этой секции берут на себя в равной доле все генераторы через два реактора, работая в идентичных условиях, результатом чего будет одинаковое напряжение на всех секциях, кроме больной.

Рис. 6.

Недостатком схемы звезды является необходимость в особой шине, на которую включаются концы всех реакторов. Действие реактора в смысле его благоприятного влияния на поддержание напряжения на здоровых секциях можно проследить на рис. 6, представляющем часть прямой или кольцевой системы. Допустим, что у нас на 2-ой секции в точке К произошло короткое замыкание. Генератор 2, снабженный автоматическим выключателем, по истечении времени выдержки реле отключится. Питание точки К генераторами 1 и 3 происходило через реакторы, то есть уменьшенными по сравнении с генератором 2 токами. Напряжение на 1 и 3 секциях от нормального U_нор. упало до U_ост., но не спустилось до нуля, так как главное падение, как видно из чертежа, происходит в реакторах. Это остающееся напряжение может быть подсчитано по формуле:

где Х_р и Х₂ соответственно обозначают реактивные сопротивления реактора и генератора секции (если последних на секцию несколько, то надо взять их общее, результирующее сопротивление).

Пропускная способность реакторов при прямолинейной кольцевой системе берется 75%, а при звезде — 100% мощности одного генератора и при индуктивности реактора равной до 10%; это значит, что при прохождении соответственного тока, принятого за нормальный, отношение

будет равно 10%. Здесь U_нор. обозначает нормальное фазовое напряжение установки.

Районные электрические станции в зависимости от того, снабжают ли они энергией отдаленные или близлежащие центры потребления, могут иметь несколько принципиальных схем, обобщенных на рис. 7.

Рис. 7.

Схема А представляет собой принципиально выдержанное устройство, по которому генератор и трансформатор представляют единое целое, то есть рассматриваются и включаются как единица, как блок. Схема В отличается тем, что станция оборудована 3-хобмоточными трансформаторами и одновременно может отпускать энергию напряжением 110 кВ и 38 кВ, причем первым снабжаются отдаленные, а вторым близлежащие потребители. Наконец, схема С дает иное решение той же задачи. Каждая система напряжений имеет отдельные блоки (генератор, трансформатор), а для взаимного резервирования устанавливается генератор с трехобмоточным трансформатором или особый трансформатор связи, который, в виду того, что направление энергии может меняться и он работает как понижающий и повышающий (реверсирование), берется регулируемым.

Иногда районные станции, находящиеся в центре потребления и снабжающие отдаленных потребителей, могут коммутироваться по схеме, позволяющей одновременно или разновременно работать как на генераторном напряжении, так и через трансформатор (рис. 8).

Схема рис. 8А изображает обычно применяемое устройство для подобного рода станций. При этом необходимо иметь в виду, что общая мощность параллельно работающих на генераторном напряжении машин не должна быть больше при 6 000 в 25 000 кВт, а при 10 500 — 50 000 кВт, по причинам, изложенным выше. Каждый генератор может работать на шины местных фидеров или на линии электропередачи, или на те и другие вместе. Схема рис. 8В в своей правой части представляет обычную станцию, снабженную двойной системой полос на генераторном напряжении, от которых питаются местные фидера. Повысительные для линий передач трансформаторы рассматриваются как подобные же фидера. Эта система применима тогда, когда мощность каждого генератора больше потребления линиями высокого напряжения.

Рис. 8А.

Если же мощность, потребляемая трансформатором, с течением времени возрастает и начинает близко подходить к мощности генератора, то устраивают перемычку, замыкая разъединитель К и отключая выключатель М с соответствующими разъединителями.

Рис. 8В.

Тогда генератор и левый трансформатор будут работать как единица, как блок, а правая часть питать местные фидера. Междушинный выключатель А может быть применен как резервный для любого из выключателей, для чего следует замкнуть его оба разъединителя, а ответвление (фидер или трансформатор) перевести на другую систему шин. Допустим, мы работаем на верхней системе шин и испортился фидерный выключатель В. Включая выключатель А, мы при заложенных его разъединителях даем напряжение на нижнюю систему шин. Закладывая разъединитель 2 и отключая 1, мы фидер перевели на питание с нижних шин, после чего можно отключить выключатель А. Если после осмотра оказалось, что выключатель В испорчен и непригоден к работе, то на нем делают перемычку (см. пунктир) и продолжают работать через выключатель А. Таким образом, шинный соединительный выключатель А является необходимой принадлежностью при двойной системе шин, применяемой всегда на ответственных станциях. Для уменьшения сечения сети и облегчения аппаратуры у потребителей при мощных генераторах на каждом фидере ставят реактор подходящей реактивности (порядка от 3 до 10%).

К числу ответственных потребителей всякой электрической станции относятся приводные механизмы самой станции, объединяемые под названием «собственные нужды». Для их удовлетворения применяются различные схемы снабжения. Наиболее распространенной является схема питания от главных собирательных шин непосредственно или через понизительный трансформатор. В целях исключения влияния неисправностей в системе собственного расхода на главную установку и обратно, применяют отдельные турбогенераторы, так называемые домашние, от которых совершенно изолированно питаются собственные нужды. Однако, домашняя турбина, имея мощность до 10% главных, является менее экономичной в работе, и производство ею одного кВт-часа обходится дороже получаемого от главных шин. Иногда, в целях разделения всей установки на отдельные части, независимые от неисправностей в других, применяют особые домашние генераторы, сидящие на валу с главными и снабжающие энергией двигатели всех вспомогательных механизмов, принадлежащих только к соответствующей части установки. Котел (или группа в несколько котлов), турбогенератор, трансформатор и линии являются составными элементами одной части станции, так называемым блоком, собственные нужды которого и обслуживаются этим домашним генератором. Современная тенденция применения для приводов собственных нужд коротко замкнутых асинхронных двигателей больших мощностей (порядка 1 000 кВт) обусловливает предпочтение системе питания от главных шин.

Выбор той или иной схемы электрического соединения на станции зависит от ее мощности и назначения, местонахождения приемников и соотношения мощностей, подаваемых при различных напряжениях. Коммутационная схема каждой станции должна обеспечить наиболее целесообразную связь основных ее элементов, облегчить эксплуатационные переключения и обеспечить надежность манипулирования при нормальных условиях и при аварии. Кроме того, установка, построенная по данной электрической схеме, должна быть технически совершенной и рентабельной в нормальной эксплуатации.

2. Выбор аппаратуры на электрических установках производится, принимая во внимание величину нормального напряжения, нормальную силу тока, характеризующие нормальный режим работы и значения токов короткого замыкания и возможных перенапряжений для ненормального или аварийного режима установки. Ниже мы приведем ряд соображений, связанных с выбором некоторых наиболее важных элементов оборудования.

Наиболее простой аппарат — выключатель, служащий для разрыва цепи под током, в том или ином виде известен всякому. Детали устройства его зависят от величины силы тока и напряжения, то есть разрываемой мощности. Основное требование к контактам выключателя заключается в том, чтобы они при прохождении нормального тока не перегревались выше 50° сверх окружающей среды. Температура, перегрева зависит от величины переходного сопротивления между контактами, которое может быть приближенно выражено формулой:

где K — постоянная, зависящая от материала и обработки контактов, F — поверхность соприкосновения, р — давление в кг/см и Р — общее давление в кг. Конечно, этот закон справедлив только в известных пределах; для щеточных контактов, например, до тех пор, пока каждая пластина прижата всей своей поверхностью соприкосновения. Если далее увеличивать давление, то угол наклона каждой пластины и всей щетки уменьшается, и поверхность соприкосновения также уменьшается. Хотя произведение из поверхности на давление остается постоянным, но переходное сопротивление возрастает. Так как с течением времени контакты всегда окисляются, то при расчете переходного сопротивления и возможного падения в них напряжения, а значит и температуры, рекомендуется для надежности в расчет вводить трехкратную величину значений для коэффициента K, даваемых обычно в таблицах.

Плотность тока в выключателе, кроме переходного сопротивления, зависит от условий и поверхности охлаждения, величины выключателя и пр. и колеблется в широких пределах от 0,1 до 0,2 А/мм³.

Рубящие выключатели строятся до 400 А, щеточные же до сил токов в 10 000 А. При наличии воздушного выключателя защита установки от перегрузки и токов короткого замыкания осуществляется помощью предохранителя, состоящего из конструкции, поддерживающей плавкую вставку и позволяющей легко заменять последнюю при ее перегорании. Широко известный предохранитель на цоколе из шифера или мрамора и предохранитель с проходными болтами для крепления на распределительной доске установки употребляются наиболее часто.

Подобные конструкции, употребляемые для сил тока порядка до 4 000 А, монтируются за распределительными досками, так как при сгорании вставки материал последней (свинец, сплав

олова и свинца) частью образует газообразные продукты, частью же разбрызгивается и может явиться причиной несчастья с обслуживающим персоналом. Исключение составляет вставка из серебра, при сгорании не выделяющая почти совсем газов, закапчивающих окружающие аппараты распределительного устройства. Смена сгоревшей вставки производится помощью гаечного ключа, причем схему соединения установки необходимо так осуществлять, чтобы эта работа не была бы производима под напряжением. Если хотят смену вставки выполнять более удобно, то останавливаются (для рабочих токов до 1 000 А) на конструкции рубящих предохранителей. Предохранители с плавкими вставками употребляются для напряжений до 750 вольт.

Сила тока, плавящая предохранитель, определяется по формуле Приса

где d — диаметр проволоки в мм, а а — для меди равно 80, для свинца — 10,8, для олова — 12,8 и сплава 2 частей свинца и 1 части олова — 10. Наиболее легкоплавкими материалами являются олово и свинец. Последний наиболее дешев и легче поддается обработке. Наиболее совершенным предохранителем является серебряный, но он дорог и употребляется только в ответственных установках. Самыми распространенными вставками являются свинцовые и состоящие из сплава 2 частей свинца и одной части олова или 60% свинца и 40% олова (вставка Эдисона).

Падение напряжения на предохранителе не должно быть при прохождении нормального тока выше десятых долей вольта.

Недостаток защиты установки помощью предохранителей заключается в том, что при быстром сгорании их они являются причиной перенапряжения. Особенно это заметно в установках постоянного тока. При включении нескольких предохранителей последовательно нет уверенности, что сгорит ближайший к месту короткого замыкания, так как предохранитель имеет зависимую характеристику, то есть время его сгорания зависит от силы тока, переходя при больших значениях последнего в мгновенные. Предохранитель выбирается с таким расчетом, чтобы при токе, превышающем нормальный на 100%, он расплавлялся бы в течение одной минуты. В ответственных установках постоянного тока их заменяют, поэтому, автоматическими, а в установках переменного — низкого напряжения очень часто, а высокого всегда — масляными выключателями.

Наиболее часто встречаются на станциях автоматические выключатели: а) максимальные и b) минимальные, включаемые в рассечку проводов. Как показывает само название, одни действуют при достижении верхнего, а другие — низшего предела допустимой и возможной по условиям эксплуатации силы тока. На рис. 9 даны наиболее простые конструкции подобных автоматов.

Рис. 9.

Максимальный выключатель (слева) обладает катушкой «Мах», через которую протекает рабочий ток. Если сила последнего превзойдет наперед заданные пределы, то находящийся сверху катушки якорек притянется, освободит защелку, и выключатель под действием груза G и нижней пружины будет выключен. Установка тока выключения производится натяжением пружинки, соединенной с якорьком. Справа дан минимальный автоматический выключатель, который прервет цепь рабочего тока, если величина последнего упадет ниже наперед установленного предела. В этом случае сила тока, обтекающего катушку «Min», будет недостаточна, чтобы удержать якорь, укрепленный на ручке автомата, и он под давлением груза и нижней пружины будет выключен. Установка тока выключения производится изменением величины груза G и натяжением нижней пружины. Минимальный автомат силы тока ставится для защиты параллельно работающих источников постоянного тока от обратного тока, то есть для исключения возможности перехода электрической машины от работы генератором к работе двигателем, что особенно опасно при поршневых первичных двигателях.

Максимальный автомат для больших сил тока схематически представлен на рис. 10.

Рис. 10.

Рис. 11.

Рабочий ток протекает через электромагнит S, воздействующий на рычаг А, который при своем отклонении вниз освобождает защелку Р и выключает щеточные контакты в автомате, пользуясь натяжением пружины F. Кроме основных подвижных щеточных контактов и неподвижных главных а₁ и а₂, существуют вспомогательные контакты: подвижной с и неподвижные h₁ и h₂, составляющие в совокупности так называемое искрогасительное приспособление. Последнее включено параллельно основным контактам и действует при выключении, несколько запаздывая от главных. Тогда дуга размыкания образуется на вспомогательных контактах, которые при частом выключении больших токов сильно обгорают и потому делаются из меди или угля легко сменяющейся конструкции. Регулируя натяжение пружины f, мы производим установку тока выключения. Воздействием рукой вниз на ручку G мы можем выключить автомат по своему желанию. Последовательно с вспомогательными контактами включаются две катушки электромагнита m₁ и m₂, осуществляющего магнитное гашение дуги, используя для этого принцип электромотора постоянного тока. Известно, что если мы имеем проводник с током, то при наличии магнитного поля мы будем иметь движение проводника по правилу трех пальцев левой руки.

На рис. 11 изображена в несколько ином виде верхняя часть максимального автоматического выключателя с рабочими контактами с и с (неподвижными) и d (подвижным) и вспомогательными b и b (неподвижными) и d (подвижным). Здесь же имеются два электромагнита k и k, осуществляющих магнитное гашение. Если созданное ими поле имеет направление за чертеж, а ток дуги — слева направо, тогда механическое воздействие на дугу (аналогично проводнику с током) будет направлено вверх, выдувая последнюю, то есть, гася ее.

При очень больших силах тока(4 000 А) и высоких напряжениях (1 200 В) место гашения дуги разделяется изолирующими огнеупорными плоскостями на несколько малых дуг, облегчая тем их магнитное гашение. Установка тока выключения в автоматических выключателях производится от 50 до 150% от нормального.

В установках переменного тока низкого напряжения возможна также для защиты их от перегрузки и короткого замыкания установка воздушных автоматических выключателей. Предпочтительней, однако, по удобству обслуживания и надежности в работе на станциях переменного тока от 525 вольт и выше устанавливать масляный автоматический выключатель, представляющий собой обычный выключатель, опущенный в масло (рис. 12).

Рис. 12.

При расхождении контактов, масляного выключателя между ними при разрыве цепи под током появляется дуга, разлагающая и испаряющая масло и протекающая таким образом в газовой среде. Давление последней повышается и заставляет кожух изгибаться, ставя тем требование к достаточной механической прочности последнего. Над контактами должна быть достаточная высота масла, чтобы газы, уходя вверх, успели остыть; иначе они, соединяясь с воздухом, могут явиться причиной взрыва масляника. Разрыв переменного тока происходит в современных конструкциях надежно в течение, примерно, 0,03 секунды. Однако, этого времени достаточно, чтобы образовать внутри большое количество газа, об отводе которого необходимо также позаботиться. В настоящее время в связи с имевшими место взрывами масляных выключателей начали применять всевозможные усовершенствования в конструкции: масляное дутье, деионные решетки и различные безмасляные выключатели — деион, со сжатым газом и с расширением паров жидких смесей. Все они, хотя и стоят дороже масляных выключателей, но обладают высокоценным свойством надежной работы без риска взрыва. Чтобы сделать масляный выключатель автоматом, применяют так называемое реле, то есть особые аппараты, замыкающие контакты а и b вспомогательной цепи постоянного тока, в которую введена выключающая катушка М масляного выключателя В согласно схеме (рис. 13). Если в сети будет перегрузка, то через обмотку максимального реле МР пройдет ток выше нормального, якорек максимального реле втянется и замкнет контакты а и b, то есть постоянный ток обтечет выключающую катушку М, которая подействует на защелку или иное приспособление, удерживающее масляный выключатель во включенном состоянии, и под влиянием напряжения пружины F масляный выключатель будет выключен.

Рис. 13.

Величина тока выключения устанавливается в различных реле различными способами: помощью пружин, грузов и т. д. Подобные реле можно выполнять также с установкой на время, если по условиям эксплуатации необходимо осуществить не мгновенное выключение, а с выдержкой времени. В настоящее время имеется целый ряд всевозможных реле, помощью которых обеспечивается надежность работы всех элементов установки и которые имеют своей основной задачей сообщить станции автоматичность и селективность защиты, гарантирующей отключение со всех сторон питания дефектного участка.

Реле бывают для защиты от: 1) перегрузки, 2) замыкания на корпус в генераторе, 3) замыкания между витками отдельных фаз или витков одной из фаз, 4) повышения или понижения напряжения и т. д., причем управляющим является сила тока, напряжение установки, напряжение смещения нулевой точки, мощность и ее направление, сопротивление полное (импеданс) и индуктивное, разность и сумма токов и т. д. В каждом отдельном случае как характер защиты, так ее установка по времени и чувствительность должны быть предметом подробного обдумывания, так как неосторожность или непродуманная поспешность в деле установления защиты может быть причиной тяжелых повреждений и аварий при эксплуатации.

Для реле, счетчиков, ваттметров и прочих измерительных приборов при переменном токе с напряжением выше 525 вольт необходимым является применять не шунты, а трансформаторы тока, включаемые в рассечку проводов. Трансформатор тока представляет собой замкнутый железный сердечник (во избежание больших токов Фуко набранный из листового железа), на котором намотаны две обмотки: первичная, обтекаемая рабочим током, с малым числом витков, и вторичная — с большим числом витков, причем таким, чтобы в ней проходило при полной нагрузке первичной обмотки пять ампер, реже 1 или 10 амп. Таким образом, отношение числа витков вторичной и первичной обмоток будет равно отношению пяти к величине нормального тока установки. Для безопасности обслуживающего персонала необходимо заземлять один конец вторичной обмотки трансформатора тока.

Общий вид трансформаторов тока на 500-1 000 А показан на рис. 14.

Рис. 14.

Значение в 5 А во вторичной обмотке взято для возможности точных измерений приборами на 5 А и 110 В. Поэтому добавочные сопротивления для обмоток напряжения киловатт-метра, счетчика и вольтметра выполняются с тем расчетом, чтобы на зажимах прибора было всегда 110 В. На станциях с напряжением 525 В и выше ставят для понижения напряжения в измерительных приборах до 110 В особые понизительные измерительные трансформаторы напряжения.

Как было указано ранее для автоматического выключения, включения на расстоянии необходимо иметь источник постоянного тока, независимого от напряжения установки. В качестве последнего употребляются аккумуляторные батареи или гальванические элементы напряжением от 110 до 240 В.

Для сбора и распределения электрической энергии на электрических станциях малой мощности устраиваются особые полосы, именуемые часто шинами. Они выполняются обычно из меди, алюминия и редко железа. Величина их сечения определяется, исходя из соображения допустимого нагревания сверх окружающей среды, но не выше 40°С. Имея величину установленной мощности на станции и вычисляя возможную наибольшую силу тока установки, мы по существующим для этого таблицам определяем сечение шин, при котором перегрев их не будет выше допустимого.

Рис. 15.

Если получается несколько полос, то расстояние между ними помощью деревянных или медных прокладок на опорном изоляторе делается обычно равным толщине каждой полосы. Крепление шин производится на особых опорных изоляторах, снабженных сверху так называемыми шинодержателями, некоторые конструкции которых показаны на рис. 15. Необходимо стремиться к тому, чтобы крепление шин было надежно, так как при коротком замыкании получаются большие электродинамические усилия между шинами, вызванные прохождением больших токов. Расстояние между шинами, так же как и между токоведущими неизолированными частями, выбирается в соответствии с напряжением установки.

Высоковольтные масляные выключатели выбираются по: 1) номинальному напряжению, 2) номинальной силе тока, 3) предельной выключаемой мощности при данном напряжении (или предельному выключаемому току при том же напряжении), 4) односекундному току (эффективному), 5) пятисекундному току (эффективному) и 6) по амплитуде скачка тока короткого замыкания (электродинамическая устойчивость). Первые два показателя пояснения не требуют. Предельной выключаемой мощностью при данном напряжении называется произведение из предельной выключаемой силы тока на напряжение и на √3.

Односекундный ток дан в амперах для указания того, что масляные выключатели не должны подвергаться действию тока короткого замыкания, максимальное эффективное значение которого превышает данные, приведенные в каталогах в графе «односекундные токи». Таким образом, величина допустимого эффективного значения скачка тока короткого замыкания не должна превышать величину «односекундного тока». Пятисекундный ток, определяющий термическую устойчивость масляного выключателя, нужен для того, чтобы иметь уверенность в надежной работе выключателя после того, как через него в течение t секунд будет проходить какой-то ток I_t, выделяющий определенное количество тепла. При подсчете допустимых величин токов в течение t' секунд величину тока, указанную в данном столбце (каталог ВЭТ), надлежит разделить на квадратный корень из отношения времени t к 5 секундам, то есть

Возвысив обе части этого равенства в квадрат, будем иметь I²_tt' = I²_кат · 5, то есть количество теплоты, выделяемое током каталога в течение пяти секунд (являющееся предельно допустимым для термической устойчивости масляника), не должно быть больше того количества теплоты, которое выделит ток I_t , протекая t_сeк.

В конкретной обстановке данной станции мы имеем установившийся ток короткого замыкания, определенный тем или иным образом (см. М. Ф. Поярков, «Электрооборудование ЦЭС»). Для определения температуры перегрева токоведущих частей при прохождении тока короткого замыкания имеем для кабеля формулу:

Ее можно несколько преобразовать:

Здесь t — выдержка времени реле, а Δt определяется характером спада кривой тока короткого замыкания в зависимости от времени. Значения t + Δt = t' и I_t = I_уст, будучи подставлены в формулу для проверки термической устойчивости масляника, определят величину I_катал, которая должна быть равна или меньше значений, указанных в графе каталога «пятисекундный ток». Несколько более точно, но сложнее, эту максимальную пятисекундную величину тока, эквивалентного по своим термическим последствиям действительно протекающему через масляник току I_уст в течение t + Δt = t' секунд, можно определить методом Бирманса, пользуясь построенными им кривыми.

Термическое действие тока короткого замыкания, не остающегося постоянным в течение всего времени переходного режима подсчитать, вообще говоря, без ряда допущений чрезвычайно затруднительно. Однако, смысл всех приемов определения этого действия заключается в том, что действительное время протекания тока короткого замыкания от его начала до включения заменяется действием постоянной величины установившегося тока короткого замыкания, но длительностью t' = t + Δt_сек., называемой «фиктивным временем» (зависящим от отношения I_{кор. ск}/1,8 I_уст), в течение которого этот установившийся ток выделит то самое количество теплоты, которое за время длительности короткого t выделит действительный ток, изменяющийся по своей величине с течением времени. Бирманс построил кривые, изображенные на рис. 16, которые по действительной выдержке времени реле t дают значение «фиктивного времени» t' для трех и двухплюсного короткого замыкания в зависимости от отношения

I_a/s, где I_a = I_{кор. скач. эффект.}/1,8, а I_s = I _{установ.}

Рис. 16.

При пользовании этими кривыми необходимо только помнить, что они даны для времени неустановившегося режима, равного обычно 2 секундам. Если, например, заданная выдержка времени t = 3,5 секунды, то фиктивное время находится для 2 секунд и к полученной величине прибавляется 3,5 - 2 = 1,5. Найденная общая длительность t' и является величиной полного времени действия установившегося тока короткого замыкания, которую и вставляют в формулу

Например. Пусть мы имеем установку, в которой

время выдержки реле пусть будет t = 3,5 секунды. По кривой для 3 (цифра справа) находим соответствующее 2 секундам фиктивное время t' = 5,3 сек. (для трехполюсного). Тогда полное время t' = 5,3 + (3,5 - 2) = 6,8 сек. Подставляя его в вышеприведенную формулу для пятисекундного тока, определяем величину последнего

Для проверки выбранного масляника на динамическую устойчивость необходимо найти амплитуду скачка тока короткого замыкания, которая определяется величиной односекундного тока (эффективное значение скачка тока короткого замыкания) на некоторый постоянный коэффициент, учитывающий разницу между эффективным значением данной периодической кривой и ее амплитудой. Для синусоидальных кривых этот коэффициент равен, как известно, √2. Так как кривая тока короткого замыкания в первые доли секунды не синусоида, то значение этого коэффициента можно определить следующим образом. Ток короткого замыкания в его неустановившемся режиме может быть приближенно заменен двумя токами — периодической или переменной составляющей и составляющей постоянного знака. Можно положить, что амплитуда переменной составляющей будет равна I = √2 I_{эф. перем.}, как это имеет место при синусоиде. Эффективное значение полного тока короткого замыкания будет равно

Для самого неблагоприятного момента включения, когда значение постоянной составляющей будет наибольшее, величина ее будет равна величине амплитуды переменной составляющей, и тогда

Согласно опытам Рюденберга, величина амплитуды скачка тока короткого замыкания будет равна

так как предполагается, что постоянная составляющая в течение первой полуволны тока короткого замыкания, когда обе они складываются, претерпит некоторое уменьшение. Беря отношение амплитуды к эффективному значению скачка тока короткого замыкания, мы получим значение этого коэффициента:

Американцы считают, что постоянная в течение первой полуволны тока короткого замыкания не уменьшается и остается равной амплитуде переменной составляющей. Тогда этот коэффициент будет равен:

Так как за односекундный ток, даваемый каталогом ВЭТ, взято эффективное значение тока короткого замыкания и масляники в СССР делаются по американским конструкциям, то для получения величины тока, определяющего динамическую устойчивость выключателя, необходимо данные для односекундного тока помножить на 1,63. Таким образом, эффективное значение скачка тока короткого замыкания, существующее в данной установке, меньшее, чем данный масляник имеет по каталогу, гарантирует установку в том, что при коротком замыкании масляник будет в должной мере обладать электродинамической устойчивостью.

Измерительные трансформаторы тока выбираются в зависимости от: 1) класса точности, 2) нормального тока, 3) мощности, 4) термической устойчивости, 5) динамической устойчивости и 6) нормального напряжения первичного тока.

В зависимости от того, какие приборы включены на вторичную обмотку трансформатора тока, то есть требуют они точного показания или нет (к первым относятся измерительные приборы и счетчики, а ко вторым — различного рода реле), выбирается класс точности, к которому должен принадлежать трансформатор. Мощность последнего определяется классом точности и сопротивлением вторичной цепи. Это сопротивление, как состоящее из сопротивления последовательных обмоток включенных проводов (включая переходное сопротивление контактов) может быть легко определено, ибо заводы, изготовляющие приборы, дают сопротивления последних. Сопротивление проводов может быть определено по их длине и сечению, а всех контактов — ориентировочно принимается равным 0,1 ома.

Термическая устойчивость трансформатора тока определяется как «способность трансформатора выдерживать без повреждений нагревы, вызываемые током короткого замыкания». Согласно предыдущему (см. выбор масляника) мы имеем I²_tt'= І²_кат. 5. Если взять величину односекундного тока, то мы будем иметь

Отсюда легко определить величину односекундного тока I₁ и по нем найти термическую кратность по отношению нормального тока. Изготовляемые ВЭТ трансформаторы имеют 85-кратную или иную данную величину.

«Динамической устойчивостью трансформатора тока называют способность противостоять механическим усилиям, развивающимся при коротких замыканиях». Динамическая кратность будет, поэтому, называться отношением амплитуды начальной полуволны к амплитуде нормального тока, то есть

Величина этого отношения не должна выходить из пределов, указанных в каталоге.

При выборе трансформаторов тока на подстанциях, питаемых от больших объединений, вопрос о проверке их на динамическую и термическую устойчивость приобретает актуальное значение. Поэтому для маломощных фидеров приходится трансформаторы тока иногда ставить на большую, чем нормальная, силу тока (тогда кратность понижается), и точность защиты тем уменьшается. Последняя работает только при коротких замыканиях, но не при перегрузках. Можно было бы пойти по пути уменьшения вторичного тока, но это связано с изменением конструкции трансформатора, что с точки зрения стандартности в их изготовлении едва ли можно считать рациональным. Поэтому для защиты от перегрузки фидеров, снабженных реакторами, часто ставят еще добавочные трансформаторы тока после реактора (первые должны стоять до реактора, чтобы отключать фидер при коротком замыкании в самом реакторе), так как там имеются уменьшенные значения кратностей.

При защите трансформатора часто реле перегрузки включают на низковольтной стороне, но заставляют его действовать на масляник стороны низшего напряжения.

Токоведущие части выбираются по нормальному току и проверяются по термическому и динамическому действию тока короткого замыкания.

Остальные аппараты распределительного устройства подстанции выбираются по нормальному току, нормальному напряжению, величинам скачка и установившегося тока короткого замыкания, а также по соображениям координации изоляции всей установки.

Выбор изоляторов на станциях производится по нормальному напряжению, напряжению перекрытия и по механическому усилию, которое приходится на каждый из них при коротком замыкании от электродинамического действия амплитуды начального скачка тока. При параллельном размещении шин, с расстоянием между ними в а см, усилие на каждый погонный метр длины определяется по формуле:

В заключение для ориентировки в электрических схемах и для примера выполнения мы приведем однолинейную схему Зуевской районной электрической станции (рис. 17), на которой установлено три турбогенератора по 50 000 кВт с напряжением 10,5 кВ по схеме генератор-трансформатор — одно целое, или блок.

Рис. 17.

Так как питать энергией необходимо приемники, находящиеся на различных расстояниях, то установлены трехобмоточные трансформаторы 10,5 — 38/115 кВ. Шины как второго, так и третьего напряжения взяты двойными. Для питания собственного расхода каждого генератора до повысительного трансформатора предусмотрена отпайка на регулируемый под нагрузкой трансформатор мощностью 7 500 кВа, работающий с напряжением 3,5 кВ на соответствующую сборку, выполненную по способу броневого распределительного устройства и питающую соответствующие приводы для данного блока.

В случае порчи одного из трансформаторов собственного расхода имеется резервный той же мощности, включенный на напряжение 38 кВ и через перемычки на верхних шинах сборки бронеустройства питающий двигатели любого блока.

Для обслуживания реле, сигналов, управления на расстояние, аварийного освещения и пр. предусмотрена емкостная аккумуляторная батарея.

Отходящие линии 115 кВ защищены дистанционными реле (DR),радиальные же линии 38 кв — максимальными (MR), трансформаторы максимальными (MR), дифференциальными реле (DR) и газовым реле Бухгольца (Bh R), а генератор (от перегрузки) — максимальными (MR), включенными ближе к нулю. От замыкания между фазами предохраняет дифференциальное реле (DR), а от заземления (замыкания на корпус) — реле заземления (ER). Для поддержания напряжения установлен на каждом генераторе автоматический регулятор Тиррилля. Для включения генераторов на параллельную работу предусмотрены две колонки синхронизации, питаемых от трансформаторов напряжения одной из систем шин 115 и 38 кВ.

Защита отходящих фидеров с бронесборок собственного расхода произведена максимальным реле, установленным на двух фазах.

Для производства измерений всех электрических величин и контроля изоляции предусмотрены соответствующие приборы, включенные через трансформаторы тока и напряжения.

Литература: М. Ф. Поярков, «Центральные электрические станции»; I. G. Tarboux, «Electric Power Equipment»; L. W. Morrow, «Electric Power Stations»; L. Vellard, «Stations centrales et sousstations»; I. Waltjen, «Schaltanlagen für Drestromkraftwerke».

М. Поярков.