Основное электрооборудование подстанций

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный технический университет

РЕФЕРАТ

На тему

Основное электрооборудование подстанций

Уфа 2010г.

1. ТРАНСФОРМАТОРЫ

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

При изготовлении трансформаторов бытового и промышленного назначения применяют стандартизованные термины и определения, обязательные для применения в документации всех видов, научно-технической и справочной литературе.

Ниже приведены несколько таких терминов и их определений.

Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. К силовым трансформаторам относятся трансформаторы трехфазные и многофазные мощностью 6,3 кВ*А и более, однофазные мощностью 5 кВ*А и более.

Повышающий трансформатор - трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка низшего напряжения.

Понижающий трансформатор — трансформатор, у которого первичной обмоткой является обмотка высшего напряжения.

Сигнальный трансформатор - трансформатор малой мощности, предназначенный для передачи, преобразования, запоминания электрических сигналов.

Автотрансформатор — трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что имеют общую часть.

Импульсный сигнальный трансформатор - сигнальный трансформатор, предназначенный для передачи, формирования, преобразования и запоминания импульсных сигналов.

Коэффициент трансформации трансформатора малой мощности — отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки.

Магнитная индукция - векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Магнитный поток — поток магнитной индукции.

Напряженность магнитного поля — векторная величина, равна геометрической разности магнитной индукции, деленной на магнитную постоянную, и намагниченности.

Индуктивная связь - связь электрических цепей посредством магнитного поля.

1.2 КЛАСИФИКАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформаторы можно классифицировать:

По признаку функционального назначения

-трансформаторы питания

-трансформаторы согласования

Рассмотрим трансформаторы питания, их можно классифицировать

1. По напряжению:

-низковольтные

-высоковольтные

-высокопотенциальные

2. В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения

-однофазные

-трёхфазные

3. В зависимости от числа обмоток

-двухобмоточные

-многообмоточные

4. В зависимости от конфигурации магнитопровода

-стержневые

-броневые

-тороидальные

5. В зависимости от мощности

-малой мощности

-средней мощности

-большой мощности

6. В зависимости от способа изготовления магнитопровода

-пластинчатые

-ленточные

7. В зависимости от коэффициента трансформации:

-повышающие

-понижающие

8. В зависимости от вида связи между обмотками:

-с электромагнитной связью (с изолированными обмотками)

-с электромагнитной и электрической связью(со связанными обмоками)

9. В зависимости от конструкции обмотки:

-катушечные

-галетные

-тороидальные

10. В зависимости от конструкции всего трансформатора

-открытые

-капсулированные

-закрытые

11. В зависимости от назначения:

-выпрямительные

-накальные

-анодно-накальные и т.д.

12. В зависимости от рабочей частоты трансформаторы делят на трансформаторы:

-пониженной частоты (менее 50 Гц)

-промышленной частоты (50 Гц)

-повышенной промышленной частоты (400, 1000, 2000 Гц)

-повышенной частоты (до 10000 Гц)

-высокой частоты

1.3 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и катушка с обмотками.

Материалом для магнитопровода трансформаторов служит листовая электротехническая сталь различных марок и толщины, горячей прокатки и холоднокатаная; от содержания кремния, которое отражено в марке стали, а также от толщины листа зависят потери мощности в магнитопроводе от вихревых токов. Толщину листа применяемой стали выбирают в зависимости от частоты сети, питающей трансформатор: с увеличением частоты толщину листа надо уменьшать. Ленточные (витые) магнитопроводы изготавливают из лент рулонной стали; предварительно лента покрывается изолирующим и склеивающим составом.

Стержневые магнитопроводы собирают из прямоугольных пластин одинаковой ширины. Части магнитопровода, на которых находятся обмотки, называются стержнями. Часть магнитопровода, соединяющая стержни между собой, называется ярмом.

Сборка частей магнитопровода может производиться встык и вперекрышку, причем в последнем случае увеличивается механическая прочность и уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода. При сборке встык пластины собирают в единый пакет и предусматривают изоляционную прокладку между пакетами для предохранения от замыкания между отдельными листами магнитопровода. Сборка встык упрощает монтаж и демонтаж трансформатора.

Пластины магнитопровода скрепляют в пакет либо с помощью изолированных от магнитопровода шпилек либо с помощью специальных бандажей из капроновых ниток.

Броневые магнитопроводы собирают из пластин Ш-образной формы и прямоугольных пластин, замыкающих Ш-образную пластину. Эти магнитопроводы имеют один стержень, на котором располагают все обмотки трансформатора. Сборка броневого магнитопровода производится так же, как и магнитопровода стержневого типа, описанного выше.

Поскольку в броневом магнитопроводе обмотка размещается на среднем стержне, магнитный поток разветвляется на правую и левую части и, таким образом, в крайних стержнях его значение будет в 2 раза меньше, чем в центральном; это позволяет уменьшить сечение крайних стержней в 2 раза по сравнению с центральным. собирают из отдельных штампованных колец, покрытых изолирующим лаком; сборка производится с помощью намотки на пакет пластин ленточной лакоткани. Этот магнитопровод обладает наилучшими магнитными свойствами:

наименьшее магнитное сопротивление, минимальные индуктивность рассеивания и чувствительность к внешним магнитным полям, однако изготовление обмоток в данном случае может производиться только на специальных станках челночного типа или вручную.

Ленточные магнитопроводы стержневого и броневого типа собираются из отдельных, соединяемых встык, магнитопроводов подковообразной формы, а затем стягиваются специальными накладками (хомутами). Такая конструкция магнитопровода значительно упрощает сборку трансформатора. Ленточные магнитопроводы по сравнению с пластинчатыми допускают магнитную индукцию на 20—30 % выше, потерь в них меньше, заполнение объема магнитопровода и КПД трансформатора выше. По этим причинам ленточные магнитопроводы находят все более широкое применение.

Тороидальные ленточные магнитопроводы изготавливают путем навивки ленты на оправку заданного размера. Обмотки трансформатора производятся на намоточных станках челночного типа.

Обмотки трансформатора выполняют из медного или алюминиевого изолированного провода. При изготовлении катушки с обмотками предусматриваются изолирующие прокладки: межобмоточная , межслойная и внешняя.

При диаметре провода более 1 мм каркас выполняется из электрокартона, а отдельные слои обмотки перевязываются хлопчатобумажной лентой.

Обмоточные провода маркируются по диаметру, виду изоляции и нагревостойкости.

Для повышения электрической прочности трансформаторы после сборки пропитывают электроизоляционными лаками, а иногда заливают специальными компаундами.

В трансформаторах средней мощности ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения. Это позволяет уменьшить слой изоляции между обмоткой и стержнем, а также создает лучшие условия охлаждения обмотки низшего напряжения, по которой протекает больший ток.

В низковольтных трансформаторах (до 100 В) малой мощности ближе к стержню помещают обмотку высшего напряжения. Эта мера позволяет уменьшить стоимость трансформатора, так как средняя длина витка обмотки высшего напряжения, выполняемой из дорогостоящего провода малого сечения, получается в этом случае меньше.

В высоковольтных трансформаторах (свыше 1000 В) применяется раздельное расположение обмоток на стержнях магнитопровода.

В низковольтных трансформаторах обмотки располагаются в соответствии с рис.1.2,б

Рис. 1.2 Расположение обмоток на каркасе:

а – в высоковольтном трансформаторе; б — в низковольтном; в — в броневом

Достоинство такого расположения обмоток—небольшое значение магнитного потока рассеяния из-за меньшей толщины намотки и небольшой расход обмоточных проводов, так как снижение толщины намотки ведет к уменьшению средней длины витка обмотки.

В трансформаторах с броневыми магнитопроводами обмотки располагаются на одном стержне.

В трехфазном трансформаторе на каждом из стержней располагаются первичная и вторичная обмотки данной фазы.

В тороидальных трансформаторах обмотки располагаются по всей длине магнитопровода.

Стержневые и броневые магнитопроводы с находящимися на них обмотками собирают в узел с помощью шпилек и накладок либо путем запрессовки в скобу.

Тороидальные магнитопроводы с находящимися на них обмотками собирают в узел и крепят к шасси с помощью крепежных шайб и винта с гайкой.

В конструкции трансформатора должна быть предусмотрена панель, к которой припаиваются выводы обмоток. Корпус трансформатора (накладки, обоймы, скобы) электрически соединяется с магнитопроводом и заземляется. Эта мера необходима из соображений техники безопасности на случай пробоя одной из обмоток.

1.4 МАРКИРОВКА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим долговечность знаков. На щитке трансформатора согласно ГОСТ 11677-65 указаны следующие данные:

1. Марка завода-изготовителя.

2. Год выпуска.

3. Заводской номер.

4. Обозначение типа.

5. Номер стандарта, которому соответствует изготовленный трансформатор.

6. Номинальная мощность. (Для трехобмоточных трансформаторов указывают мощность каждой обмотки).

7. Номинальные напряжения и напряжения ответвлений обмоток.

8. Номинальные токи каждой обмотки.

9. Число фаз.

10. Частота тока.

11. Схема и группа соединения обмоток трансформатора.

12. Напряжение короткого замыкания.

13. Род установки (внутренняя или наружная).

14. Способ охлаждения.

15. Полная масса трансформатора.

16. Масса масла.

17. Масса активной части.

18. Положения переключателя, обозначенные на его приводе.

Для трансформатора с искусственным воздушным охлаждением дополнительно указана мощность его при отключенном охлаждении. Заводской номер трансформатора выбит также на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А и на левом конце верхней полки ярмовой балки магнитопровода.

Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее: Т - трехфазный трансформатор, О – однофазный, М – естественное масляное охлаждение, Д масляное охлаждение с дутьем (искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла), Ц – масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель, ДЦ – масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла, Г – грозоупорный трансформатор, Н – в конце обозначения – трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой, Н – на втором месте – заполненный негорючим жидким диэлектриком, Т на третьем месте – трехобмоточный трансформатор.

Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность (кВ·А), второе число – номинальное напряжение обмотки ВН (кВ·А). Так, тип ТМ 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВ·А и напряжением обмотки ВН 35 кВ·А; тип ТЦТНГ-6300/220 означает трехфазный трехобмоточный трансформатор с принудительной циркуляцией масла при масло-водяном охлаждении, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, мощностью 63000 кВ·А и напряжением обмотки ВН 220 кВ.

Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней. Если автотрансформаторная схема является основной (обмотки ВН и СН образуют автотрансформатор, а обмотка НН дополнительная). Букву А ставят первой, если трансформаторная схема является дополнительной, букву А ставят последней.

2. ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

2.1 ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

В настоящее время выключатели с вакуумными и элегазовыми дугогасящими устройствами (ДУ) начинают все больше вытеснять масляные, электромагнитные и воздушные выключатели. Дело в том, что ДУ вакуумные и элегазовые не требуют ремонта по крайней мере в течение 20 лет, в то время как в масляных выключателях масло при отключениях загрязняется частицами свободного углерода и, кроме того, изоляционные свойства масла снижаются из-за попадания в него влаги и воздуха. Это приводит к необходимости смены масла не реже 1 раза в 4 года. Дугогасящие устройства электромагнитных выключателей примерно в эти же сроки требуют очистки от копоти, пыли и влаги; ДУ вакуумных и элегазовых выключателей заключены в герметичные оболочки, и их внутренняя изоляция не подвергается воздействию внешней среды. Электрическая дуга при отключениях в вакууме или в элегазе также практически не снижает свойств дугогасящей и изолирующей среды.

Современные выключатели должны обладать коммутационными и механическими ресурсами, обеспечивающими межремонтный период в эксплуатации 15—20 лет. Эти условия трудно выполнимы при традиционных методах гашения дуги в масле или воздухе. Возможности дальнейшего существенного совершенствования выключателей с традиционными способами гашения дуги практически исчерпаны. Однако выпуск этих выключателей пока будет продолжаться из-за того, что технология их изготовления проста и цена их ниже вновь осваиваемых воздушных и элегазовых выключателей.

В СССР разработаны и с 1980 г. серийно изготовляются вакуумные выключатели на напряжение 10 кВ с номинальными токами отключения до 80 кА.

Конструкция вакуумных выключателей (ВВ) типа ВБЭ разработана применительно к конструкции шкафов КРУ с маломасляным выключателем. Шкафы КРУ с ВВ могут использоваться совместно со шкафами КРУ с маломасляными выключателями. При питании вспомогательных цепей на выпрямленном токе (встроенный электромагнитный привод зависимого действия, непосредственно использующий электрическую энергию выпрямленного тока) для обеспечения полного включения ВВ необходимо использовать устройства комплектного питания типа УКП2, ВАЗП. Вакуумные выключатели типа ВБЭ предназначены для использования в промышленных и сетевых установках с частыми коммутационными операциями. Модернизация ВБЭ предусматривает верхнюю компоновку встроенного привода ВВ, улучшающую условия технического обслуживания.

Вакуумные выключатели типа ВБТЭ и ВБТП предназначены для использования в экскаваторах, передвижных электростанциях на автомобильном ходу, буровых установках, роторных комплексах, насосных станциях и других электроустановках. Они выполнены в виде выдвижного элемента шкафа КРУ, содержат выпрямительный мост для питания отключающего электромагнита, включающий контактор, цепи заряда конденсатора отключения, блокировку от многократных повторных включений и элементы блокировок от ошибочных операций с выкатным элементом. Выключатели имеют фиксированный расцепитель, который обеспечивает возможность отключения выключателя только из полностью включенного положения в отличие от свободного расцепителя у выключателей типа ВБЭ (свободный расцепитель обеспечивает возвращение главных контактов выключателя в отключенное положение и фиксацию их в этом положении в случае, даже если при этом удерживается команда на включение). Достоинством выключателей типа ВБТЭ и ВБТП является верхняя компоновка встроенного электромагнитного привода, которая обеспечивает удобство технического обслуживания в эксплуатации.

На напряжение 10 кВ разработаны вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) с токами отключения 40 и 50 кА. На рис. 2.1.1. показан схематический разрез вакуумной дугогасительной камеры с поперечным магнитным дутьем с серповидными контактами, применяемой в вакуумных выключателях на номинальные напряжения 10 кВ с номинальным током 1600 А и током отключения до 31,5 кА. Поперечное магнитное поле быстро перемещает дугу, что позволяет уменьшить износ контактов и улучшает процесс гашения дуги.

2.1.1 Вакуумная дугогасительная камера вакуумного выключателя на 10 кВ,1600А

а- схематический разрез камеры; б- контактная система камеы;1-контакты; 2-дугогасящие электроды; 3-зазор между контактами и дугогасящими электродами; 4-медный неподвижный ввод; 5-то же подвижный; 6- концевые фланцы; 7- сильфон из нержавеющей стали; 8- экран, изолированный от вводов; 9-концевые экраны, находящиеся под потенциалом соответствующего ввода; 10-керамические изоляторы;11-металлическая прокладка; 12- напрявляющая из силумина

2.1.1 ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

В последние годы широкое распространение в мировой практике получили вакуумные коммутационные аппараты. В них гашение дуги при коммутации электрической цепи осуществляется в вакуумной дугогасительной камере (ВДК) рис 1.1, которая состоит из изоляционной цилиндрической оболочки, снабженной по концам металлическими фланцами, внутри которой помещаются подвижный и неподвижный контакты и электростатические экраны. Неподвижный контакт жестко крепится к одному фланцу, а подвижный соединяется с другим фланцем сильфоном из нержавеющей стали, обеспечивающим возможность перемещения контакта без нарушения герметичности ВДК. Экраны предназначены для защиты оболочки от брызг и паров металла, образующихся при горении дуги а также для выравнивания распределения, напряжения по камере. Оболочка ВДК изготовляется из специальной газоплотной керамики (в некоторых конструкциях - из стекла). Внутри оболочки создается вакуум, в ВДК применяют контакты торцевого типа достаточно сложной конфигурации, выполненные из специальных сплавов. В выключателях напряжением до 35 кВ предназначенных для работы в сетях трехфазного переменного тока промышленной частоты, используются три ВДК (по одной на полюс выключателя), снабженные общим приводом - пружинным или электромагнитным. При напряжении выше 35 кВ в каждом полюсе выключателя используются несколько ВДК, соединенных последовательно.

Основные достоинства вакуумных выключателей, определяющие их широкое применение:

1. Высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и номинальных токов отключения. Число отключений номинальных токов вакуумным выключателем (ВВ) без замены ВДК составляет 10-50 тыс. число отключений номинального тока отключения - 20-200 что в 10 -20 раз превышает соответствующие параметры маломасляных выключателей

2. Резкое снижение эксплуатационных затрат по сравнению с маломасляными выключателями. Обслуживание ВВ сводится к смазке механизма и привода, проверке износа контактов по меткам 1 раз в 5 летили через 5-10 тыс. циклов «включение-отключение».

3. Полная взрыво- и пожаробезопасность и возможность работы в aгрессивных средах.

4. Широкий диапазон температур окружающей среды, в котором возможна работа ВДК

5. Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам вследствие малой массы и компактной конструкции аппарата.

6. Произвольное рабочее положение и малые габариты, что позволяет создавать различные компоновки распределительных устройств, в том числе и шкафы с несколькими выключателями при двух-трехъярусном их расположении.

7. Бесшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные малым выделением энергии в дуге и отсутствием выброса масла, газов при отключении токов КЗ.

8. Отсутствие загрязнения окружающей среды.

9. Высокая надежность и безопасность эксплуатации, сокращение времени на монтаж.

К недостаткам ВВ следует отнести повышенный уровень коммутационных перенапряжении, что в ряде случаев вызывает необходимость принятия специальных мер по защите оборудования.

2.1.2. ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ВБТЭ-10-20

Выключатель предназначен для работы в шкафах комплектных распределительных устройств (КРУ), шкафах КСО, а также замены маломасляных выключателей в распределительных устройствах напряжением 6-10 кВ

2.1.3 Вакуумные выключатели серии BB/TEL

Это коммутационные аппараты нового поколения, в основе принципа действия которых лежит гашение возникающей при размыкании контактов электрической дуги в глубоком вакууме, а фиксация контактов вакуумных дугогасительных камер (ВДК) в замкнутом положении осуществляется за счет остаточной индукции приводных электромагнитов («магнитная защелка»). Отличительная особенность конструкции вакуумных выключателей серии BB/TEL по сравнению с традиционными коммутационными аппаратами заключается в использовании принципа соосности электромагнита привода и вакуумной дугогасительной камеры в каждом полюсе выключателя, которые механически соединены между собой общим м.

Область применения

Выключатели вакуумные серии BB/TEL предназначены для коммутации электрических цепей с изолированной нейтралью при нормальных и аварийных режимах работы в сетях переменного тока частоты 50 Гц с номинальным напряжением 6-10 кВ. Оригинальность конструкции выключателей BB/TEL позволила достичь следующих преимуществ по сравнению с другими коммутационными аппарата

· высокий механический и коммутационный ресурс;

· малые габариты и вес;

· небольшое потребление энергии по цепям управления;

· возможность управления по цепям постоянного, выпрямленного и переменного оперативного тока;

· простота встраивания в различные типы КРУ и КСО и удобство организации необходимых      блокировок;

· отсутствие необходимости ремонта в течение всего срока службы;

· доступная цена.

Принцип фиксации контактов ВДК в замкнутом положении с применением магнитной защелки в настоящее время активно используется в новых конструкциях вакуумных выключателей ряда различных фирм (GEC Alsthom, Whipp&Bourne, Cooper), однако «Таврида Электрик» является первым предприятием-изготовителем, открывшим дорогу вакуумным выключателям с магнитной защелкой к массовому потребителю (оригинальность выключателей BB/TEL защищена патентом Российской Федерации).

Благодаря своим преимуществам вакуумные выключатели BB/TEL широко применяются во вновь разрабатываемых комплектных распределительных устройствах (КРУ, КСО, КРН), а также для реконструкции КРУ, находящихся в эксплуатации и имеющих в своем составе на момент реконструкции выключатели других конструкций, которые устарели морально и физически.

Конструктивное исполнение

В настоящее время выпускаются выключатели двух основных конструктивных исполнений:

с межполюсным расстоянием 200 мм;

с межполюсным расстоянием 250 мм.

Конструктивное исполнение с межполюсным расстоянием 200 мм

Конструктивное исполнение с межполюсным расстоянием 250 мм