Электрические сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ

1. Преобразование, распределение и передача электроэнергии

В первом методическом руководстве для начинающего оперативного персонала был рассмотрен принцип производства электроэнергии на тепловых электрических станциях. В этой главе мы рассмотрим основные процессы и особенности эксплуатации оборудования при передаче электроэнергии от электростанции до потребителя.

Электроэнергия, выходящая из генератора в подавляющем большинстве случаев сразу же преобразовывается с помощью повышающего трансформатора в электроэнергию более высокого напряжения, а у потребителя преобразовывается с помощью понижающего трансформатора в электроэнергию более низкого напряжения. Для чего это делается. Генераторное напряжение на большинстве ТЭС составляет 6-10 кВ, на крупных генераторах 15-20 кВ. Электроэнергию, а проще говоря, мощность такого напряжения на большие расстояния передавать экономически не выгодно по двум причинам:

1. Слишком большие потери (чем выше напряжение, тем меньше потери электроэнергии. Об этом подробнее будет рассмотрено в разделе «Потери электрической мощности»);

2. Из-за низкой пропускной способности.

Если кто помнит, каждый проводник определенного сечения может пропустить определенной величины электрический ток и если эту величину превысить, то проводник начнет греться и в дальнейшем просто расплавится. Если посмотреть на формулу полной мощности S=v3UI (U - напряжение, I - ток), то легко догадаться, что при одной и той же величине передаваемой мощности, чем выше напряжение линии, тем меньше величина тока, протекающего по ней. Следовательно, чтобы мощность, передаваемую, например, по одной линии 110 кВ передать при помощи линий 10 кВ, то нужно будет построить 10 линий 10 кВ с проводом такого же сечения, как и линия 110 кВ. Если электростанция расположена рядом с потребителем (например, крупный завод), то нет смысла повышать напряжение для передачи электроэнергии и она подается потребителю на генераторном напряжении, что позволяет сэкономить на трансформаторах. Кстати, чем отличается электроэнергия от электрической мощности? Да ничем. Электрическая мощность - это мгновенное значение электрической энергии и измеряется она в Ваттах, киловаттах, Мегаваттах (Вт, кВт, МВт), а электрическая энергия - это количество электрической мощности, переданное за единицу времени и измеряется она в киловатт часах (кВт*ч,). Агрегат, в котором происходит преобразование электроэнергии с одного напряжения на другое называется трансформатором.

Принцип работы и конструкция трансформатора

Как мы уже сказали, трансформатор служит для преобразования электрической мощности одного напряжения в электрическую мощность другого напряжения. Как это происходит. Трехфазный трансформатор представляет собой магнитопровод (сердечник), набранный из листов электротехнической стали и состоящий из трех вертикальных стержней соединенных сверху и снизу такими же поперечными стержнями (они называются ярмо). На стержни надеваются обмотки низкого и высокого напряжения в виде цилиндрических катушек из изолированного медного провода. В энергетике эти обмотки называются высшего и низшего напряжения, если трансформатор двух обмоточный, то есть имеет только два напряжения. В трех обмоточном трансформаторе есть еще обмотка среднего напряжения. Обмотки надеваются на стержень в следующем порядке: сначала обмотка низшего напряжения (она ближе всех к магнитопроводу), затем на нее надевается обмотка среднего напряжения и затем обмотка высшего напряжения, то есть на каждый стержень надевается три обмотки, если трансформатор трех обмоточный и две обмотки, если трансформатор двух обмоточный. Для простоты будем рассматривать работу двух обмоточного трансформатора. Обмотки одного стержня образуют фазу. К началу каждой обмотки присоединены линейные вывода, по которым электрическая мощность входит и выходит из трансформатора. Обмотка, к которой электрическая мощность подходит к трансформатору называется первичной, а обмотка, от которой преобразованная мощность уходит вторичной. Если мощность подходит к обмотке низшего напряжения, а уходит с обмотки высшего напряжения, то трансформатор называют повышающим. И наоборот, если мощность подходит к обмотке высшего напряжения, а уходит с обмотки низшего напряжения, то трансформатор называют понижающим. По своей конструкции они ничем не отличаются. Концы обмоток высшего и низшего напряжений соединены по разному. Концы обмоток высшего напряжения соединены вместе и образуют звезду, ее еще называют нейтраль (почему, рассмотрим позже). Концы обмоток низшего напряжений соединены мудрено, а именно - конец каждой обмотки соединен с началом другой, образуя, если развернуть на схеме, треугольник, к вершинам которого подключены линейные вывода. Почему обмотки высшего и низшего напряжений соединены по разному? По чисто экономическим соображениям. Электрический ток и напряжение разделяются на фазные и линейные. Линейным называется напряжение между фаз А-Б, Б-С и С-А, его еще называют междуфазным. Фазное напряжение - это напряжение между каждой (отдельной) фазой и землей или, в случае с трансформатором, нейтралью трансформатора. Фазное напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Линейный и фазный ток лучше рассмотреть на примере соединений обмоток трансформатора. Ток, текущий по каждой фазе линии называется линейный. Ток, текущий по обмотке каждой фазы трансформатора или электродвигателя называется фазным. Если обмотка этих агрегатов соединена в звезду, то линейный ток, как в фазе линии, так и в фазе звезды одинаковый (нарисуйте звезду и линию и сразу будет понятно). То есть при соединении обмотки в звезду линейный ток равен фазному. Если обмотку соединить в треугольник (нарисуйте), то мы видим, как ток из линии, подойдя к вершине треугольника, расходится по двум обмоткам. Здесь уже фазный ток не равен линейному, он меньше его. Фазный ток, так же как и напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Когда обмотка соединена в звезду, то ток, протекающий по ней равен линейному току, а напряжение на этой обмотке равно фазному напряжению. А когда обмотка соединена в треугольник, то ток, протекающий по ней равен фазному, а напряжение на каждой обмотке равно линейному напряжению. И если, к примеру, обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение 110 кВ соединить сначала в звезду, а затем в треугольник, то в первом случае (когда звезда) напряжение приложенное к обмотке каждой фазы будет равно 63 кВ, а во втором случае (когда треугольник) 110 кВ. Следовательно, когда обмотка соединена в треугольник - изоляция на ней должна быть больше, а значит дороже. С токами все наоборот. Когда обмотка соединена в треугольник, то протекающий по ней ток в v3 раз меньше тока, протекающего по этой же обмотке, если ее соединить в звезду. Если меньше ток, значит меньше сечение провода обмотки и обмотка дешевле. Поскольку ток на стороне низшего напряжения больше тока стороны высшего напряжения (а значит и сечение провода обмотки больше), то именно обмотку низшего напряжения и соединяют в треугольник. Чем выше напряжение, тем дороже стоит изоляция. Вот поэтому обмотку высшего напряжения соединяют в звезду. Существуют также такие понятия, как номинальный ток и номинальное напряжение. Номинальный ток - это максимальный ток, длительно протекающий по проводнику, не перегревая его выше допустимой для его изоляции температуры. Номинальное напряжение - это максимальное напряжение относительно земли (фазное напряжение) или других фаз этого оборудования (линейное напряжение), длительно приложенное к проводнику (воздействующее на проводник) без опасности повреждения (пробоя) его изоляции. Для каждого оборудования заводом изготовителем указывается номинальный ток и напряжение его проводников.

Так вот. Когда к первичной обмотке трансформатора подводится электрическая мощность, то протекающий по ней (по обмотке) ток создает в магнитопроводе, на который одеты обмотки, переменный магнитный поток, который в свою очередь наводит во вторичной обмотке, так называемую электродвижущую силу (э.д.с). Э.д.с - это то же самое, что и мощность. Вот таким образом, с помощью электромагнитной связи, мощность и передается через трансформатор. Прошу не путать с электрической связью. Электрическая связь (ее еще называют металлическая) - это когда мощность передается по проводнику безо всяких воздушных промежутков. Зависимость между первичным и вторичным напряжением, а также количеством витков обмоток определяется формулой:

U1 / U2 = w1 / w2

где U1 и w1 - это напряжение и число витков первичной обмотки, а U2 и w2 - соответственно, вторичной. Из этого следует, что подбирая число витков первичной и вторичной обмоток можно получить желаемое вторичное напряжение. Отношение величины высшего напряжения к низшему напряжению или отношение числа витков обмотки высшего напряжения к обмотке низшего напряжения (что одно и то же) называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации всегда больше единицы (это можно и так догадаться). Трансформаторы, служащие для преобразования электрической мощности одного напряжения в мощность другого напряжения называются силовыми. Существуют также трансформаторы тока и напряжения. Эти трансформаторы называются измерительными, т.к. они предназначены для питания приборов измерения тока и напряжения, но о них подробнее будет рассмотрено в разделе релейная защита, автоматика и измерения. Величина мощности, проходящей через силовой трансформатор, не изменяется (если исключить незначительные потери при трансформации), изменяются только величины тока и напряжения. Вспоминая формулу мощности, S=v3UI не трудно догадаться, что во сколько раз изменяется напряжение при трансформации, во столько же раз изменяется и ток, только в обратную сторону, то есть если напряжение после трансформатора увеличилось в 10 раз, то ток в 10 раз уменьшился. Вот для этого (чтобы уменьшить величину тока) и повышают напряжение на электростанциях с тем, чтобы передавать ее на далекие расстояния. Трансформаторы бывают сухими и масляными. Сухие трансформаторы (серии ТС) - это трансформаторы с воздушным охлаждением для закрытых помещений. Конструкция самая простая, магнитопровод с обмотками стоит на изоляторах на полу помещения и закрыт металлическим сетчатым кожухом. Выделяемое тепло отводится окружающим воздухом. Сухие трансформаторы выпускаются на напряжение до 10 кВ и используются в основном на собственных нуждах электростанций. В промышленности в основном применяются масляные трансформаторы (серии ТМ, ТД, ТДЦ, ТЦ. Буквы М, Д, ДЦ и Ц означают способ охлаждения и циркуляции масла). В масляном трансформаторе магнитопровод с обмотками помещен в герметичный корпус, заполненный трансформаторным маслом, которое служит для охлаждения и одновременно для изоляции магнитопровода и обмоток. На верху корпуса имеется бак-расширитель, который служит для подпитки корпуса и приемки масла из корпуса при температурных изменениях объема масла внутри корпуса трансформатора. По бокам корпуса масляного трансформатора расположены масляные радиаторы, которые служат для охлаждения масла. Масло под воздействием разности температур внутри корпуса и снаружи в радиаторе постоянно циркулирует через радиаторы, охлаждаясь о наружный воздух. Это называется естественное охлаждение и естественная циркуляция масла (система охлаждения М). Такая система охлаждения применяется на трансформаторах до 10 МВт. На трансформаторах мощностью более 10 МВт масляные радиаторы обдуваются вентиляторами для большей эффективности охлаждения. Эта система охлаждения Д - с естественной циркуляцией и принудительным дутьем. Для еще более эффективного охлаждения масла циркуляцию его осуществляют насосами, одновременно обдувая радиаторы вентиляторами. Эта система охлаждения относится к типу ДЦ - с принудительной циркуляцией масла и принудительным дутьем и применяется на трансформаторах мощностью свыше 100 МВт. Самой эффективной на сегодняшний день является система Ц - с принудительной циркуляцией масла и водяным охлаждением масляных радиаторов. Она применяется на трансформаторах 500 МВт и выше.

В технической литературе часто встречается еще одна характеристика трансформатора - это Uк %, что переводится, как напряжение короткого замыкания в процентах. Напряжение Uк % - это напряжение приложенное к одной из обмоток трансформатора, при котором по другой обмотке замкнутой накоротко, протекает номинальный ток (по первой обмотке, к стати, в это время протекает тоже номинальный ток). Uк % характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и используется при расчетах токов за трансформатором в различных режимах работы сети.

Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Мощные трансформаторы (500 МВА и выше) выпускаются в однофазном исполнении по той простой причине, что трехфазный трансформатор такой мощности будет иметь такие размеры, что доставить его к месту установки не будет представляться возможным. Трансформаторы бывают двух обмоточными (ВН, НН), трех обмоточными (ВН, СН, НН) и с расщепленными обмотками. Трансформатор с расщепленными обмотками имеет две одинаковые обмотки низшего напряжения. Для чего это делается? Трансформаторы с расщепленными обмотками имеют повышенный Uк % (сопротивление обмоток), поэтому их целесообразнее использовать для питания РУ с большим количеством присоединений. РУ делается не из двух секций (на каждую по одному трансформатору), а из четырех. Один трансформатор питает две секции (каждая обмотка питает отдельную секцию). Тем самым мы уменьшаем ток КЗ на секции в два раза, по сравнению с тем, если бы секций было две и каждая питалась от двух обмоточного трансформатора.

Регулирование напряжения трансформатора

Как мы уже говорили, величину напряжения на вторичной обмотке трансформатора можно изменять с помощью изменения количества витков первичной или вторичной обмоток. На силовых трансформаторах предусмотрено изменение количества витков на обмотке высшего напряжения. Для этого часть витков обмотки высшего напряжения имеют регулировочные ответвления, с помощью которых можно либо добавлять, либо уменьшать количество витков обмотки высшего напряжения. Уменьшая число витков обмотки высшего напряжения, когда она является первичной обмоткой (понижающий трансформатор), уменьшается сопротивление обмотки, следовательно увеличивается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и увеличивается напряжение на обмотке низшего напряжения, которая в данном случае является вторичной. И наоборот. Увеличивая число витков обмотки высшего напряжения, увеличивается сопротивление обмотки, следовательно уменьшается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и уменьшается напряжение на обмотке низшего напряжения.

В случае повышающего трансформатора, когда обмотка низшего напряжения является первичной, а высшего напряжения вторичной, процесс повышения напряжения на вторичной обмотке происходит не за счет увеличения магнитного потока, а за счет увеличения числа витков вторичной обмотки, то есть обмотки высшего напряжения.

Почему регулировка напряжения производится именно на обмотке высшего напряжения, будет ясно после рассмотрения конструкции переключателя ответвлений. В масляных трансформаторах применяются два типа переключателей ответвлений - ПБВ и РПН. Переключатель ПБВ означает переключение без возбуждения, то есть на отключенном трансформаторе и представляет собой систему неподвижных контактов, соединенных с ответвлениями обмотки и подвижные контакты, соединенные с основной обмоткой. Подвижные контакты находятся на устройстве в виде барабана, поворачивая который рукояткой привода, расположенной на крышке трансформатора, производят изменение числа витков обмотки высшего напряжения. Поскольку часто регулировать таким способом напряжение неудобно из-за необходимости отключения трансформатора, то с помощью переключателей ПБВ производится в основном сезонное регулирование напряжения, когда изменяются нагрузки в прилегающей сети, то есть зимой и летом (зимой нагрузки больше, а значит больше и падение напряжения в сети и напряжение приходится повышать).

Для частых регулировок напряжения на трансформаторах устанавливают переключатель типа РПН, что означает регулирование под нагрузкой. Переключатель ответвлений типа РПН позволяет регулировать напряжение, не отключая трансформатор и даже не снимая с него нагрузку, поэтому и конструкция его сложнее, нежели переключателя ПБВ. Для того, чтобы во время переключения подвижного контакта с одного ответвления на другое не происходило разрыва цепи тока обмотки, в переключателе типа РПН имеется два подвижных контакта на каждую фазу (основной и шунтирующий) и переключение с одного ответвления на другое происходит в два этапа - сначала на новое ответвление переключается основной контакт, а затем шунтирующий. А для того, чтобы в момент, когда основной контакт стоит уже на новом ответвлении, а шунтирующий остался еще на старом, не происходило закорачивание витков, находящихся между этими контактами, в цепи шунтового контакта установлено специальное сопротивление и ток не идет через закоротку, образованную основным и шунтирующим контактами. Переключатель типа РПН установлен не в общем баке трансформатора, где расположен магнитопровод с обмотками, а в отдельном отсеке, куда выведены ответвления обмоток высшего напряжения. Это связано с тем, что при переключениях под нагрузкой между контактами возникает, хоть и незначительная, но электрическая дуга, которая разлагает масло с выделением водорода. И если бы РПН находился в общем баке, то водород постоянно накапливался в газовом реле трансформатора, вызывая, тем самым, не нужные срабатывания газовой защиты (об этом подробнее будет рассмотрено в граве релейная защита и автоматика). РПН может переключаться, как дистанционно ключом управления, так и с помощью автоматики АРН (автоматическое регулирование напряжения), реагирующей на изменения напряжения на вторичной обмотке.

В сухих трансформаторах переключателей ответвлений нет и изменение количества витков происходит путем пересоединения на обмотке каждой фазы специальной металлической пластины, соединяющей основную часть обмотки с добавочными витками.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы служат для соединения распределительных устройств разного напряжения. Автотрансформатор отличается от трех обмоточного трансформатора тем, что у него нет обмотки среднего напряжения. Среднее напряжение берется с части обмотки высшего напряжения. Ведь у обмотки трансформатора соединенной в звезду напряжение от максимального в начале обмотки уменьшается с каждым витком в сторону нейтрали, пока совсем не снизится до нуля на нейтрали после последнего витка. Вот на основе этого принципа и выполнена обмотка среднего напряжения у автотрансформатора. К примеру, у автотрансформатора напряжением 220/110/10 кВ где-то на середине обмотки высшего напряжения (220 кВ) сделаны ответвления соответствующие напряжению 110 кВ, это и есть обмотка среднего напряжения, совмещенная с обмоткой высшего напряжения (вернее, являющаяся ее частью). Поэтому автотрансформатор меньше по габаритам и дешевле трех обмоточного трансформатора той же мощности. Ответвлений на обмотке высшего напряжения несколько (как и в трансформаторе) для возможности регулирования напряжения с помощью переключателя типа РПН.

В ПТЭ можно встретить такое понятие, как допустимое напряжение для данного ответвления обмотки трансформатора. Как это понимать и где взять эти допустимые напряжения? Как мы уже сказали в начале этого раздела, у обмоток трансформаторов соединенных в звезду с каждым витком в сторону нейтрали напряжение уменьшается. В связи с этим уменьшают и изоляцию с каждым витком, а точнее с каждым ответвлением в сторону нейтрали (в целях экономии). Поэтому каждое ответвление имеет свое допустимое напряжение. А посмотреть это напряжение можно в таблице анцапф трансформатора, в заводской инструкции, на худой конец, на табличке прикрепленной к трансформатору.

2. Распределительные устройства

После того, как на электростанции мы подготовили электроэнергию для передачи на определенные расстояния к узлам потребления, то есть повысили напряжение, ее нужно разослать (распределить) по разным направлениям. Для этого и служат распределительные устройства (РУ). РУ представляют собой совокупность сборных шин и коммутационных аппаратов. Сборные шины (или точнее системы сборных шин) представляют собой поперечные токопроводы, на которые электроэнергия приходит от генераторов, а затем уходит по разным направлениям к узлам потребления (своего рода раздаточный коллектор). Шины РУ бывают разной конструкции - жесткие и гибкие. Жесткие шины изготавливаются в основном из алюминиевых полос, реже имеют трубчатую или коробчатую форму (в РУ с большими токами нагрузки) и применяются в РУ напряжением от 0,4 до 35 кВ. Гибкие шины представляют собой обыкновенные провода и применяются в РУ 110 кВ и выше. РУ бывают закрытого типа (ЗРУ), находящиеся в помещении и открытого (ОРУ), находящиеся под открытым небом. РУ 6-10 кВ бывают также комплектного исполнения (КРУ).

КРУ состоит из отдельных шкафов-ячеек. Каждая ячейка предназначена для отдельного присоединения и представляет собой выкатную тележку с установленным на ней выключателем и отсек (шкаф) РЗА данного присоединения. На выключателе имеются верхние и нижние втычные контакты. При вкачивании тележки верхние контакты входят в неподвижные зажимы идущих вдоль (точнее поперек) всех ячеек сборных шин, а нижние контакты входят в неподвижные зажимы отходящей линии. Верхние и нижние втычные контакты в КРУ заменяют соответственно шинный и линейный разъединители. Схема присоединения собирается и разбирается путем вкатывания и выкатывания тележки выключателя. Выключатель соединен с помощью разъема гибким кабелем-шлангом, по которому проходят команды на включение и отключение, с отсеком РЗА. Тележка выключателя имеет три положения - рабочее (тележка вкачена, контакты замкнуты), контрольное (промежуточное - контакты разомкнуты, но тележка выкачена не полностью, шланг подсоединен) и ремонтное (шланг отсоединен, тележка выкачена полностью в коридор управления). В рабочем и контрольном положениях тележка фиксируется специальной защелкой. КРУ бывает также на стационарных выключателях (без выкатных тележек). Стационарные КРУ имеют уже как шинный, так и линейный разъединителе в каждой ячейке. КРУ, предназначенная для установки под открытым небом имеет герметичное исполнение и называется КРУН, т. е. для наружной установки. трансформатор ток напряжение электропередача

Каждое присоединение (генератор, трансформатор, линия) подключается к шинам РУ с помощью коммутационных аппаратов (разъединителей и выключателей), то есть аппаратов, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Виды коммутационных аппаратов и их назначение будут рассмотрены в отдельной главе. РУ подстанций состоят из нескольких систем шин и имеют различные схемы и конфигурации, чем ответственней подстанция, тем сложнее схема ее РУ (подробнее можно посмотреть в учебниках по оборудованию подстанций). В Российской энергетике применяются РУ следующих напряжений: 0,4 кВ (380 В); 6 кВ; 10 кВ; 35 кВ; 110 кВ; 220 кВ; 330 кВ; 500 кВ; 750 кВ. Электростанции всегда имеют РУ нескольких напряжений - от 0,4 до 10 кВ это РУ питающие оборудование собственных нужд электростанции, а начиная с 35 кВ РУ питающие линии электропередачи различных потребителей и узлов потребления нагрузки. Чем дальше необходимо передавать электроэнергию, тем выше напряжение линий электропередачи, а следовательно и РУ от которого питаются эти линии. В большинстве случаев РУ разных напряжений, начиная со 110 кВ, связаны между собой с помощью автотрансформаторов. Это делается для того, чтобы не прерывалось электроснабжение РУ при отключении генераторов, питающих это РУ.

3. Линии электропередачи

Линии электропередачи разделяются на тупиковые - это линии, имеющие одностороннее питание, и транзитные - это линии, имеющие питание с двух сторон. Линии электропередачи, соединяющие две подстанции или подстанцию и потребителя и имеющие ответвления на другие подстанции или потребители, называются линии с отпайками. Началом линии (граница раздела между оборудованием РУ и линией) считается линейный портал подстанции. Портал представляет собой «П» образную опору, к которой на изоляторах подвешены спуски проводов от первой опоры линии. С другой стороны портала эти спуски подключены к линейному разъединителю. Линии и подстанции напряжением 110 кВ и ниже образуют распределительную сеть, так как они передают (распределяют) электроэнергию от узлов потребления (крупных подстанций) к потребителям в пределах одной энергосистемы. Линии и подстанции напряжением 220 кВ и выше относятся к магистральным сетям, потому что по ним осуществляются основные перетоки мощности между энергосистемами. Магистральные сети всех энергосистем образуют Единую Национальную электрическую сеть (ЕНЭС).

4. Электрические сети с изолированной и заземленной нейтралью

В зависимости от характера (величины) тока замыкания на землю электрические сети разделяются на сети с изолированной и сети с заземленной нейтралью (или глухозаземленной нейтралью, что одно и то же). Что это означает и в чем разница?

Под нейтралью подразумеваются нейтрали трансформаторов, входящих в электрическую сеть одного напряжения, то есть имеющих электрическую связь. Как мы помним, обмотки разных напряжений трансформатора электрической связи между собой не имеют, а имеют магнитную связь, значит, и сети разных напряжений между собой электрически не связаны. Если на трансформаторах одной сети заземлить (соединить с землей) нейтрали обмоток одного напряжения (как мы помним, в нормальном режиме работы трансформатора напряжение на нейтрали равно нулю), то электрическая сеть этого напряжения и будет сетью с заземленной нейтралью. Если же все нейтрали обмоток одного напряжения трансформаторов одной сети не имеют связи с землей, то эти сети являются сетями с изолированной нейтралью.

Если на оборудовании в сети с заземленной нейтралью произойдет замыкание одной фазы (одного провода) на землю, то возникнет замкнутая электрическая цепь с малым сопротивлением или, как говорится в электротехнике, замкнутый контур тока (фаза, замкнутая на землю, нейтраль трансформатора, который имеет электрическую связь с этой фазой и снова фаза, контур замкнулся). А поскольку сопротивление данного контура маленькое, то ток, возникающий в таком контуре, «огромадный». Он называется током однофазного короткого замыкания (потому что проходит не через нагрузку, а не доходя ее по укороченному пути) и в считанные секунды нагревает провода до такой степени, что они расплавляются, а точнее испаряются. Поэтому сети с заземленной нейтралью еще называют сети с большим током замыкания на землю. Для исключения повреждения оборудования при возникновении однофазного короткого замыкания это оборудование необходимо сразу же отключать с помощью устройств релейной защиты и автоматики (РЗА), то есть это повреждение устраняется с возможным перерывом питания потребителей (если, к примеру, это тупиковая линия).

Если такая же ситуация произойдет в сети с изолированной нейтралью, то замкнутого контура не будет, так как он разорван в месте нейтраль - земля и тока большой величины в точке замыкания не будет. Большого тока не будет, но ток , хоть и небольшой, все же будет - это зарядный или емкостной ток данной сети. Величина его зависит от емкости данной сети, которая в данном случае работает как конденсатор, емкость которого зависит от протяженности линий этой сети. Сети с изолированной нейтралью еще называют сети с малым током замыкания на землю. В случае однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью немедленного отключения оборудования, на котором произошло замыкание, не требуется, т. к. отсутствуют большие токи способные привести к повреждению оборудования и оно может работать сколь угодно долго не прерывая питания потребителей. Но существует ряд причин, по которым режим однофазного замыкания в сети с изолированной нейтралью не желателен и его нужно устранить в возможно более короткий срок.

Во-первых, при нормальном режиме работы сети напряжение каждой фазы относительно земли в v3 раз меньше напряжения между фаз (напряжение каждой фазы относительно земли называется фазным, а напряжение между фазами - линейным). При замыкании одной фазы на землю, на двух других фазах по отношению к земле напряжение повышается до линейного (увеличивается в v3 раз), т.к. земля в данной сети уже имеет такой же потенциал, как и фаза замкнувшая на землю. Если в какой-то точке сети на одной из неповрежденных фаз из-за слабой, по какой-то причине, изоляции произойдет ее «пробой», то возникнет двухфазное короткое замыкание (по контуру: фаза - точка замыкания на землю - земля - пробитый изолятор - вторая фаза - обмотки трансформатора), которое сопровождается большими токами повреждающими оборудование. Другими словами - однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью опасно переходом в двухфазное короткое замыкание.

Во-вторых, однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью представляет опасность для людей, находящихся вблизи точки замыкания. Поскольку напряжение, возникающее на поверхности земли в точке соприкосновения с фазой, резко уменьшается при удалении от этой точки (полностью исчезает на расстоянии приблизительно 8 м), то человек, оказавшийся на расстоянии ближе 8 м к точке замыкания, попадет в зону напряжения. При этом, если стоять, держа ноги вместе, ничего страшного не произойдет, но стоит ступням ног оказаться на расстоянии друг от друга одной ближе, другой дальше от точки замыкания, то между этими точками возникнет разность потенциалов, т. к. одна нога (которая ближе к точке замыкания) находится в зоне более высокого напряжения, чем другая и человека «долбанет» не трудно догадаться в каком месте, причем чем шире шаг, тем больше разность потенциалов. Поэтому из зоны замыкания нужно выходить либо прыжками, либо мелкими шажками. Этот эффект называется шаговым напряжением. Еще существует понятие напряжения прикосновения. Это когда человек касается рукой корпуса оборудования, в котором произошло замыкание на землю (на корпус, что одно и тоже, потому что все корпуса оборудования должны быть заземлены).

В-третьих, емкостной ток в точке замыкания на землю при величине более 5-10 А проходит в виде электрической дуги, что при замыканиях внутри трансформаторов или генераторов приводит к повреждению обмотки и магнитопровода. Поэтому на генераторах с током замыкания на землю более 5 А устанавливается защита на отключение генератора при возникновении замыкания на землю. В сетях напряжением 6, 10 и 35 кВ, где токи замыкания на землю превышают соответственно 30, 20 и 10 А применяются устройства компенсации емкостного тока, которые снижают его до величины менее 5 А. Это так называемые дугогасящие катушки (ДГК), которые представляют из себя сердечник (магнитопровод) с намотанной на него обмоткой и помещенный в герметичный корпус заполненный трансформаторным маслом. Один конец обмотки подключен к нейтрали трансформатора сети, подлежащей компенсации, а другой соединен с землей. Так как сети 6-10 кВ питаются от вторичных обмоток трансформаторов 110-35 кВ, соединенных в треугольник, то для ДГК либо ставится отдельный трансформатор 6-10 кВ, отмотка которого соединена в звезду, либо она включается в нейтраль трансформатора собственных нужд подстанции. Поскольку катушка представляет собой индуктивное сопротивление, то при замыкании на землю она оказывается под фазным напряжением (земля это фаза, а нейтраль трансформатора - нуль) и по ней протекает индуктивный ток. А индуктивный ток противоположен по направлению емкостному току в точке замыкания на землю и уничтожает его. Величина индуктивного тока регулируется количеством витков катушки. Величина емкостного тока замыкания на землю сети определяется (замеряется) опытным путем при помощи искусственно (сознательно) созданного замыкания на землю. Сети, где применяются дугогасящие катушки, называются еще сетями с компенсированной нейтралью.

В Российской энергетике с изолированной нейтралью работают сети напряжением 6, 10 и 35 кВ. Сети остальных напряжений работают в режиме заземленной нейтрали. Почему нельзя сделать однотипными сети всех напряжений? Этим вопросом должен озадачиться любой нормальный человек (проверьте себя). Сеть 0,4 кВ по требованию Правил устройства электроустановок (ПУЭ) должна работать в режиме глухозаземленной нейтрали для безопасности людей, поскольку при замыкании фазы на землю в данном случае она будет отключаться защитными аппаратами (автоматами или предохранителями). Сети 6-35 кВ экономически выгоднее делать с изолированной нейтралью - не происзодит отключения оборудования, а значит и погашения потребителей при однофазном замыкании (а именно однофазные замыкания чаще всего возникают на электрооборудовании) и есть время у оперативного персонала перевести потребителей на резервное питание прежде чем отключить поврежденный участок. Начиная со 110 кВ выгоднее делать сети с заземленной нейтралью, т. к. экономятся средства на дорогую изоляцию, которая при одном и том же напряжении в сети с изолированной нейтралью должна быть больше из-за длительности времени замыкания нежели в сети с заземленной нейтралью, где режим замыкания на землю длится менее секунды (основные защиты оборудования имеют уставки по времени от 0 до 0,5 секунд). К тому же практически все потребители имеют минимум две линии питания напряжением 110 кВ, чего не скажешь про 6-10 кВ, и отключение одной из линий от защиты не приводит к погашению потребителей.

В сетях с заземленной нейтралью в идеальном случае нейтрали всех трансформаторов должны быть заземлены, но на практике это не так. По условиям выбора оборудования, а оборудование выбирается из расчета величины тока трехфазного КЗ в данной сети, ток однофазного замыкания на землю не должен превышать тока трехфазного КЗ. А на практике, если заземлить нейтрали на всех трансформаторах, именно это и происходит, т.е. ток однофазного КЗ превышает ток трехфазного КЗ. Для того, чтобы уменьшить ток однофазного КЗ на ряде трансформаторов разземляют нейтрали (чем больше заземлено нейтралей, тем больше ток однофазного КЗ в этой сети и наоборот). Нейтрали разземляют на тех трансформаторах, у которых по расчетам не возникает перенапряжения на тейтрали при несимметричном режиме работы трансформатора, который возникает, например, при том же однофазном КЗ в сети. Когда нейтраль заземлена, ей перенапряжение не грозит.

И еще одна особенность в отличии сетей. Сети напряжением от 6 кВ и выше - трех проводные (сколько фаз, столько и проводов). Сети 0,4 кВ - четырех проводные (три фазных провода и один нулевой). Почему так? Сети выше 6 кВ служат для передачи и распределения электроэнергии и нулевой провод для этого не нужен. Даже если учесть, что у потребителей имеются электродвигатели напряжением 6 кВ, то все они трехфазного исполнения и нулевой провод так же не нужен. А сеть 0,4 кВ кроме промышленных потребителей, у которых оборудование трехфазного исполнения, имеет в большинстве своем бытового потребителя, у которого все оборудование однофазного исполнения. К лампочкам и утюгам не нужно подводить три фазы, они прекрасно работают и на одной. Поэтому в жилые дома (имеется в виду отдельно взятая квартира) заводится одна фаза. Но одна фаза работать не будет, ток течет только по замкнутому контуру. Для создания этого контура и служит нулевой провод, который соединен с нейтралью трансформатора, от которого берется фаза. И включая в розетку утюг, мы создаем контур для электрического тока: фаза - спираль утюга - нулевой провод - нейтраль трансформатора - фаза. В общем, делаем не что иное, как однофазное замыкание на землю в сети с изолированной нейтралью. Но поскольку это замыкание происходит через сопротивление, рассчитанное на данное напряжение (через нагрузку), то недопустимых токов не возникает. Хотя если в розетку, куда подведены фаза и нуль, воткнуть просто проволоку, то можно воочую увидеть что такое сверх ток и его последствия. Остается добавить, что линейное напряжение (междуфазное) в сети 0,4 кВ составляет 380 В, а фазное (напряжение между фазой и нулем) 220 В, т.е. как и положено по правилам электротехники в v3 раз меньше линейного. На некоторых подстанциях Калужской энергосистемы трансформаторы собственных нужд имеют обмотку низшего напряжения соединенную в треугольник. Естественно сеть 0.4 кВ у такого ТСН работает с изолированной нейтралью. Напряжение 220 В берется в такой сети с двух фаз, а замыкание одной из фаз на землю не приводит к отключению питающего автомата, поэтому в такой сети имеется сигнализация замыкания на землю в сети собственных нужд. Такие ТСНы установлены на ПС Калуга.

5. Релейная защита и автоматика

Релейная защита

Все электрооборудование в процессе работы должно быть защищено от токов недопустимой величины (от сверхтоков), которые, как мы уже знаем, разрушают (расплавляют) оборудование. Сверхтоки возникают при коротких замыканиях (КЗ) в сети. Короткие замыкания (мы уже об этом упоминали) - это когда ток течет не через нагрузку, представляющую из себя сопротивление рассчитанное на данное напряжение, а не доходя до этого сопротивления, по короткому пути (потому и КЗ) с малым сопротивлением. Например если перемкнуть две или три фазы, идущие на электродвигатель, между собой не доходя до электродвигателя, то это и будет КЗ вызывающее сверхтоки. Из закона Ома вы должны помнить, что ток равен напряжению цепи деленному на сопротивление этой цепи (I=U/R). Обмотка электродвигателя представляет собой сопротивление и ток, потребляемый электродвигателем в нормальном режиме, имеет допустимые для самого двигателя и для питающего его кабеля пределы. Когда происходит короткое замыкание в кабеле или в самом двигателе, сопротивление в цепи тока резко уменьшается и ток, как видно из формулы, резко возрастает.

В основе практически всех защит лежит принцип фиксации увеличения тока на защищаемом оборудовании, то есть увеличился ток сверх допустимого - отключай оборудование. Защиты, реагирующие на увеличение тока, называются токовыми защитами. Устройство, реагирующие на увеличение тока, называется реле (поэтому и защита называется релейная). Реле представляет собой электромагнит - это катушка, намотанная на сердечник (магнитопровод), и подвижный якорь, который притягивается к магнитопроводу, когда по катушке протекает ток определенной величины. На подвижном якоре закреплены контакты, замыкающие цепь отключения выключателя. Подвижный якорь снабжен противодействующей пружиной, которая не дает магнитопроводу притягивать якорь при токах меньших тока срабатывания реле (при нормальных токах оборудования). Регулируя натяжение пружины, мы можем изменять величину тока срабатывания реле. Конструкции токовых реле бывают самые различные, от круглых, втягивающих якорь внутрь магнитопровода, до прямоугольных, имеющих якорь в виде пластинки. Но все они работают по одной схеме: катушка реле подключена к трансформаторам тока защищаемого оборудования, которые питают катушку током пропорциональным току, протекающему по оборудованию только меньшей величины и напряжения. При возрастании тока на оборудовании больше допустимого в катушке реле ток тоже возрастает до величины больше тока срабатывания, то есть больше того тока, при котором пружина может еще удерживать подвижный якорь в отключенном положении. Якорь, притягиваясь к магнитопроводу, замыкает своими контактами цепь, по которой проходит ток на отключающую катушку выключателя. Выключатель отключается и отделяет поврежденное оборудование от источника питания (рвет ток КЗ).

Самые простейшие виды токовых защит - это максимальная токовая защита (МТЗ) и токовая отсечка (ТО). Обе они работают по одному (вышеописанному) принципу с той лишь разницей, что токовая отсечка отключает выключатель без выдержки времени (выдержка от 0 до 0,5 сек.), а максимальная токовая защита с выдержкой от 0,5 до 3 секунд. И еще одно различие, у ТО ток срабатывания больше, нежели у МТЗ. Для чего все это делается? Предположим, какая-то линия питает РУ от которого отходят еще несколько линий. Как сделать так, чтобы при КЗ на отходящей от РУ линии защитой не отключилась общая питающая РУ линия, а отключилась именно поврежденная, оставив тем самым в работе остальные линии этого РУ? Это делают с помощью различной выдержки времени на МТЗ. МТЗ линий РУ имеют меньшую выдержку по времени (1,5 сек.) нежели МТЗ питающей линии (2,5 сек.), поэтому при КЗ на линии РУ первым отключится выключатель поврежденной линии, а если он по какой-то причине не отключится и ток КЗ не прекратится, то через 2,5 сек. отключится выключатель питающей линии, погасив все РУ, то сохранив оборудование. Настройка защит по правильной очередности срабатывания называется селективностью. А величины времени и тока, при которых срабатывает реле, называются уставками срабатывания реле по времени и по току. А что у нас с отсечкой? Если произойдет КЗ на питающей РУ линии, то МТЗ сработает так же через 2,5 сек., как и в случае, когда КЗ на отходящей от РУ линии. А зачем нам ждать в данном случае 2,5 сек., если мы знаем, что чем быстрее отключить КЗ, тем меньше вероятность повреждения оборудования. Вот для этой цели в добавок к МТЗ и ставится ТО, которая отключит линию без выдержки времени. Но сразу возникает вопрос, а не среагирует ТО питающей линии на ток КЗ отходящей от РУ линии, не дав сработать ее МТЗ и погасив все РУ, когда в этом нет необходимости? Зная то, что чем дальше ток КЗ от источника питания, тем он меньше, т. к. увеличивается сопротивление участка сети до места КЗ (чем длиннее провод, тем больше его общее сопротивление), то расчетами устанавливается величина тока КЗ на питающей линии и на отходящих от РУ линиях. На питающей линии ток КЗ, естественно, больше, поэтому и уставка ТО по току так же больше нежели у МТЗ и ТО не реагирует на токи КЗ отходящих от РУ линий, т. к. они меньше токов срабатывания реле ТО. Все эти расчеты так же относятся к методам селективности защит.

Все остальные защиты основаны на таком же принципе, но имеют различные дополнительные устройства, позволяющие точно определить участок КЗ, вид КЗ (однофазный или междуфазный), а также направление тока. За исключением, пожалуй, одной защиты, которая построена на другом принципе - это газовая защита трансформатора. Принцип действия отдельных защит изложен в соответствующих инструкциях по РЗА. Поскольку все токовые защиты неразрывно связаны с трансформаторами тока, то поговорим прежде о них.

Трансформаторы тока

Относятся к типу измерительных трансформаторов. Служат для преобразования первичного тока, то есть силового тока, протекающего по электроустановке, во вторичный ток меньшей величины и напряжения для подключения измерительных приборов и реле защит. Принцип работы трансформатора тока такой же, как и однофазного силового трансформатора (трансформаторы тока выпускаются только в однофазном исполнении) - ток первичной обмотки наводит в магнитопроводе сердечника магнитный поток, а тот в свою очередь наводит э.д.с. во вторичной обмотке. Особенностью трансформатора тока является то, что первичная обмотка его включена последовательно в цепь прохождения тока, то есть ток проходя по проводу электрической цепи, заходит в трансформатор тока, проходит по первичной обмотке, выходит из трансформатора тока и идет дальше по цепи, а вторичная обмотка замкнута накоротко, то есть начало и конец вторичной обмотки соединены. Поэтому говорят, что трансформаторы тока работают в режиме короткого замыкания (близком к КЗ), то есть напряжение на вторичной обмотке практически равно нулю. Причем размыкать вторичную обмотку категорически запрещается, иначе в ней наведется очень высокое напряжение, что приведет к пробою изоляции и выходу из строя трансформатора тока. Приборы и реле включаются последовательно в закоротку вторичной обмотки.

Трансформаторы тока могут иметь различную конструкцию. Бывают в виде магнитопровода, на который намотаны первичная и вторичная обмотки. При токах 600 А и выше трансформаторы тока выполняются без первичной обмотки, роль первичной обмотки выполняет токопровод, на котором производится измерение силы тока. Магнитопровод со вторичной обмоткой просто надевается на этот токопровод и трансформатор тока готов. При токах меньше 600 А такая конструкция не применяется из-за низкой м.д.с. (магнитодвижущей силы) создаваемой в сердечнике (как мы помним она равна i w - ток на число витков) и как следствие возникающей из-за этого большой погрешности. Трансформаторы тока для электроустановок напряжением 330 кВ и выше делаются каскадными, то есть с несколькими последовательными магнитопроводами, у которых вторичная обмотка предыдущего магнитопровода является первичной обмоткой последующего. Это связано с трудностями выполнения изоляции первичной обмотки, поэтому ее понижают в несколько приемов (каскадов). Трансформаторы тока бывают встроенные и выносные. Встроенные трансформаторы тока (первый рассмотренный нами тип, когда магнитопровод надевается на токоведущую часть) применяются на выключателях напряжением 35-220 кВ, они встроены во вводы выключателей и располагаются между корпусом и вводом выключателя. Выносные трансформаторы тока устанавливаются рядом с выключателем и имеют, в отличии от встроенных, кроме вторичной и первичную обмотку. Подробнее о трансформаторах тока можно прочитать в учебной литературе.

Реле более сложных защит, нежели МТЗ и ТО, кроме катушек, питающихся от трансформаторов тока, имеют катушки, которые питаются от трансформаторов напряжения.

Трансформаторы напряжения

Так же относятся к классу измерительных трансформаторов. Трансформаторы напряжения выпускаются как в однофазном, так и в трехфазном исполнениях. По своему устройству они напоминают силовой трансформатор. Если трансформаторы тока включаются последовательно в электрическую цепь, то трансформаторы напряжения включаются параллельно (отпайками от каждой фазы измеряемой сети, так же как подключается отпайкой к линии силовой трансформатор). В отличии от трансформаторов тока, которые работают в режиме короткого замыкания, трансформаторы напряжения работают в режиме холостого хода (близком к холостому ходу), то есть нагрузка практически равна нулю. Напряжение вторичной обмотки трансформаторов напряжения согласно принятого стандарта равняется 100 В. Трансформаторы напряжения, как правило, имеют две вторичные обмотки, одна соединена в звезду и используется для измерения фазного и линейного напряжений, другая соединенная в разомкнутый треугольник используется для обнаружения возникновения в сети замыкания на землю. Подробнее о трансформаторах напряжения можно прочитать в учебной литературе.

Виды и типы защит электрооборудования

Защиты делятся на основные и резервные. Основные защиты работают без выдержки времени, то есть мгновенно и защищают строго определенный участок (зону). Резервные защиты имеют выдержку времени и работают (защищают оборудование) в случаях отказа основных защит своего оборудования (ближнее резервирование), а также при отказе защит или выключателей смежного оборудования (дальнее резервирование).

По принципу действия защиты разделяются на междуфазные, земляные и дифференциальные.

В сетях с изолированной нейтралью применяются только междуфазные защиты (т. е. защиты от КЗ между фаз) типа МТЗ и ТО, в виду отсутствия больших токов замыкания на землю и в связи с этим со сложностью выполнения защиты от замыкания на землю (и отсутствием острой необходимости в такой защите). Защиты от замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью устанавливаются только на генераторах с величиной тока замыкания 5 А и более. В распределительных сетях с изолированной нейтралью выполнена сигнализация появления в сети замыкания на землю. Эта сигнализация выполнена с помощью реле, установленного в цепи разомкнутого треугольника вторичной обмотки трансформаторов напряжения, на котором появляется напряжение из-за возникновения несимметрии в треугольнике при замыканиях на землю.

В сетях с заземленной нейтралью, в связи с более сложной конфигурацией (схемой) этих сетей и обилием линий с двухсторонним питанием, а значит и со сложностью обеспечения селективности работы защит, применяют более разнообразный набор различных видов защит.

Междуфазные защиты реагируют только на междуфазные КЗ и нечувствительны к КЗ на землю по той простой причине, что ток срабатывания (уставка по току) у них значительно выше нежели ток КЗ на землю в данной сети. Одна из наиболее сложных междуфазных защит - это дистанционная защита. Сложность ее заключается в том, что она имеет несколько защищаемых зон (до четырех). Каждая зона имеет свою уставку по времени и току. Зоны отсчитываются от места установки защиты в сторону направления их действия. 1-я зона имеет самую большую уставку по току и самую маленькую по времени. 4-я зона наоборот самую маленькую по току и самую большую по времени, потому что чем дальше место КЗ, тем меньше ток. Каждая зона защищает свой отрезок дистанции от места установки защиты до места КЗ, обеспечивая тем самым селективность работы основных защит и резервируя их в случае отказа. Чувствительность зон осуществляется с помощью реле сопротивлений. Так как до каждой зоны линия имеет определенное сопротивление, то реле сопротивлений настроены так, что первые зоны никогда не сработают на КЗ в последующих зонах.

Земляные защиты, то есть защиты от замыкания на землю, не реагируют на междуфазные КЗ, а реагируют только на токи нулевой последовательности, которые возникают в реле земляной защиты только при КЗ на землю. Сразу опять возникает вопрос (у нормальных людей), зачем такие сложности с разделениями защит на междуфазные и земляные? Неужели нельзя сделать одну защиту, ведь токи в сети с заземленной нейтралью возрастают сверх допустимых, как при междуфазных КЗ, так и при однофазных КЗ на землю, а значит их может улавливать обыкновенная МТЗ? Без такого разделения в сложной сети невозможно добиться селективности работы защит. Земляные защиты в силу того, что реагируют только при появлении замыкания на землю, можно делать любой чувствительности, что удобно при осуществлении дальнего резервирования, а 90 % КЗ в сети относятся именно к КЗ на землю. Поэтому земляные защиты делают многоступенчатыми (до 4-х ступеней). Каждая ступень имеет свою уставку по току и по времени (1-я ступень имеет самую большую уставку по току и самую маленькую по времени, а последняя наоборот). Это означает, что чем ближе КЗ, тем больше ток и тем быстрее его надо отключать. А междуфазные защиты нельзя сделать высоко чувствительными, т. к. они могут отработать на токи нагрузки при набросе нагрузки на линию или на КЗ вне защищаемой зоны.