Промышленные установки переменного и постоянного тока |
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И РАБОТА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА Электроустановками называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии. Электрическая сеть представляет совокупность электроустановок, служащих для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи. Работа электроустановки 3-х фазного переменного тока промышленной частоты 50 гц во многом определяется режимом работы нейтралей генераторов или трансформаторов. Практикуется в основном два вида централей, изолированная нейтраль и заземленная нейтраль. Изолированная нейтраль - это нейтраль генератора или трансформатора, которая не присоединена к заземляющему устройству или присоединена через устройства с большим электрическим сопротивлением (приборы сигнализации, защиты, дугогасительные реакторы). Заземленная нейтраль - это нейтраль генератора или трансформатора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству или через малое электрическое сопротивление. От режима работы нейтралей зависит в значительной степени уровень изоляции электроустановок, выбор коммутационной аппаратуры, величины перенапряжений и способы их ограничения, величины токов однофазных коротких замыканий на землю (корпус), условия работы релейной защиты и т.п. Замыканием на землю называется случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с конструктивными частями, не изолированными от земли, или непосредственно с землей. Замыканием на корпус называется случайное соединение находящихся под напряжением частей электроустановки с их конструктивными частями, нормально не находящимися под напряжением. Электроустановки, в которых ток замыкания на землю (корпус) не превышает 500 А, считаются электроустановками с малыми токами замыкания на землю. Электроустановки с током замыкания на землю (корпус) более 500 А считаются электроустановками с большими токами замыкания на землю. С малыми токами однофазного замыкания на землю (033) работают электроустановки напряжением до и выше 1000 В с изолированной нейтралью генератора или трансформатора. Это 3-фазные электроустановки с линейным напряжением соответственно 220-380-660 в и 3-35 кВ. С большими токами замыкания на землю работают электроустановки с заземленной нейтралью (эффективно заземленной нейтралью) напряжением 110 кВ и выше. С заземленной нейтралью работают также 4 проводные 3-фазные электрические сети напряжением до 1000 В, в которых токи 033 могут не иметь больших значений. Это электроустановки напряжением 220/127 В, 380/220 В, 660/380 В. Однофазные аварийные замыкания на землю (корпус) составляют до 75% от всех видов повреждений в электроустановках. Режим работы нейтрали в значительной степени влияет также на условия электробезопасности людей. В электроустановках с изолированной и заземленной нейтралью применяются разные электрозащитные мероприятия, которые будут рассмотрены ниже. Электроустановки по условиям электробезопасности разделяются на электроустановки напряжением до 1000 В включительно и выше 1000 В. а) Электроустановки с изолированной нейтралью. Рассмотрим работу электрической сети с изолированной нейтралью генератора. Каждый провод сети с изолированной нейтралью относительно земли обладает определенной величиной сопротивления изоляции, а также определенной величиной электрической емкости, т.к. каждый из проводов можно рассматривать, как протяженный конденсатор. На воздушных линиях обкладками конденсатора являются проводник и земля, а диэлектриком воздух; на кабельных линиях обкладками конденсатора являются жила кабеля и металлическая оболочка кабеля, соединенная с землей, а диэлектриком служит изоляция жил кабеля. Сопротивление изоляции измеряется в мегаоммах. (1 мОм = 106 Ом); емкость измеряется в микрофарадах (1 мкф = 10-6 ф). Это означает, что при нормальном режиме работы электроустановки через сопротивления изоляции и землю протекают токи утечки, а через конденсаторы на землю протекают токи, называемые емкостными (ICO).
В исправной электрической сети геометрическая сумма токов утечки и емкостных токов (т.е. с учетом сдвига фаз в 3- фазной сети на 120°) равна нулю. Эти токи равномерно распределены по всей длине проводов. При этом между каждой фазой сети и землей будет действовать фазное напряжение сети (Vф= Vл:√3). Токи утечки можно определить по формуле: Iут= Vф : Rиз Например, при Vл = 380 в и Rиз = 1 мом ток утечки будет равен: Iут= 380 (√3∙1∙106) Емкостные токи определяются по формуле: Iсо= Vф :Xc = Vф ∙ 2πfCo∙10-6(A) Их величина зависит от величины напряжения электрической сети и протяженности воздушных и кабельных линий. Приближенно Iсо можно определить по следующим формулам: Ico = (V∙e):350 (A) - для воздушных линий Ico = (V∙e):10 (A) - для кабельных линий где V- линейное напряжение сети (кв) е - длина сети (км) При нормальных условиях работы сети токи утечки и емкостные токи невелики и не оказывают влияния на нагрузку генераторов или трансформаторов. При возникновении замыкания одной из фаз на землю, земля получает потенциал поврежденной фазы, а между исправными фазами и землей будет линейное напряжение. Под действием этого линейного напряжения через место замыкания и через землю будут протекать токи утечки и емкостные токи двух исправных фаз. Ток замыкания на землю возрастает в 3 раза и имеет, как правило, емкостной характер: Ic= 3 Ico
С целью уменьшения токов замыкания на землю в сетях 3-35 кВ применяют компенсацию емкостных токов замыкания на землю путем заземления нейтралей генераторов или трансформаторов через специальные дугогасящие катушки.
Так как емкостной ток замыкания на землю и индуктивный ток дугогасящей катушки отличаются по фазе на 180°, то в месте замыкания на землю они компенсируют друг друга. В результате ток замыкания на землю не будет превышать 5-10 А, благодаря чему не возникает перемежающаяся дуга. С точки зрения электробезопасности возникает повышенная опасность для людей, т.к. человек, касающийся неповрежденной фазы и корпуса, оказывается под действием линейного напряжения. При однофазных замыканиях на землю не нарушается система межфазных напряжений, устойчивость работы электрической сети и потребителей, поэтому не требуется немедленное отключение питающих линий энергоснабжения, чтобы не создавать перерыва в электроснабжении потребителей. Исключение составляют электроустановки, где требуются повышенные условия электробезопасности (электроустановки торфоразработок, угольных шахт, передвижные электроустановки). В этих электроустановках применяется немедленное отключение токов 033. Отключаются релейной защитой также синхронные генераторы и двигатели при внутренних замыканиях обмоток статора на корпус при 1О5-10А из-за возможного выгорания железа статора. В электрических сетях с изолированной нейтралью однофазные замыкания составляют до 63% от всех повреждений. ПТЭ электроустановок потребителей допускают работу электрических питающих сетей с однофазным замыканием на землю в течение 2-х часов с обязательным нахождением и отключением поврежденной питающей линии. В сетях с изолированной нейтралью должен осуществляться непрерывный контроль изоляции. Трехфазная электрическая сеть до 1000 В, которая связана с сетью напряжением выше 1000 В через понижающий трансформатор должна быть защищена пробивным предохранителем на случай повреждения изоляции между обмотками высшего и низшего напряжения. Пробивной предохранитель устанавливается на нейтрали трансформатора или на фазе обмотки низшего напряжения. Должен предусматриваться контроль за целостностью пробивных предохранителей. б) Электроустановки с эффективно заземленной нейтралью. В 3-фазных электроустановках напряжением 110 кВ и выше при нормальном режиме работы между каждым фазным проводом сети и землей имеет место фазное напряжение электрической сети. При возникновении замыкания одной из фаз на землю образуется короткозамкнутый контур через землю и нейтраль источника питания, к которому приложено фазное напряжение сети. При этом токи 033 могут достигать значений в несколько десятков килоампер.
Длительное протекание таких токов может вызвать повреждение электрооборудования, поэтому в этих электроустановках предусматривается быстрое отключение их устройствами релейной защиты. В этом случае также устраняются перенапряжения, вызываемые перемежающимися дугами, (что имеет место в электроустановках с изолированной нейтралью. Недостатком указанных электроустановок является возникновение перерыва в питании электропотребителей после отключения токов 033, а также значительная стоимость заземляющего устройства, которое согласно ПУЭ, должно обладать весьма малым сопротивлением (R≤0,5ом). 3-фазные четырехпроводные электрические сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1000 В относятся к сетям с занулением, работа которых рассматривается ниже. в) Электроустановки постоянного тока. В электроустановках постоянного тока с номинальным напряжением электроприемников 110-220-440 В каждый из проводов имеет относительно земли некоторое сопротивление изоляции, распределенное по всей его длине. При этом между «плюсовым» и «минусовым» полюсом через сопротивления изоляции проводов и землю образуется электрическая цепь и протекают некоторые токи утечки. При нормальном режиме работы токи утечки незначительны. Если сопротивления изоляции каждого из проводов относительно земли одинаковы, то каждый из проводов будет иметь относительно земли напряжение равное 0,5 Vном сети. При неодинаковых сопротивлениях изоляции относительно земли напряжения распределяются таким образом, что их сумма будет равна Vном сети. При замыкании одного из проводов на землю между землей и другим рабочим проводом возникает напряжение, равное полному напряжению сети. Это значительно увеличивает опасность поражения человека при касании неповрежденного провода. Режим работы электроустановки а этом случае не нарушается, если не применено защитное отключение. В этих электроустановках должен осуществляться непрерывный контроль изоляции. В электроустановках, применяемых для систем электрической тяги, приняты следующие величины номинальных напряжений электроприемников: Городской наземный транспорт (трамвай, троллейбус) - 550 В; метрополитен - 750 В; магистральные и пригородные железные дороги - 3000 В; промышленный электротранспорт: подземный - 250 В; наземный -500 В, 1500 В. На шинах питающих тяговых подстанций номинальные напряжения приняты на 10% выше, чем на токоприемниках подвижного состава. В тяговых электрических сетях контактный провод и контактный рельс на метрополитене являются плюсовым полюсом источника постоянного тока, которые изолированы от земли с помощью специальных изоляторов, закрепленных на металлических или железобетонных конструкциях опор контактной сети и других сооружениях. Ходовые рельсы являются минусовым полюсом источника тока. Все металлические части опор контактной сети и других сооружений заземляются на ходовые рельсы с помощью специальных заземляющих проводников. В случаях нарушения изоляции контактной сети, обрыва контактной сети, замыкания разнополярных проводов, неисправности в подвижном составе и т.д. возникают короткие замыкания. Из-за устойчивого горения дуги постоянного тока при коротких замыканиях могут возникнуть пережоги контактных проводов, разрушиться токоприемники и другое электрооборудование, возникнуть пожары на подвижном составе, что может вызвать длительный перерыв в движении подвижного состава и угрозу для жизни людей. Поэтому в системе электрической тяги предусматривается быстрое, надежное, селективное отключение токов короткого замыкания на поврежденных участках контактной сети с помощью быстродействующих автоматических выключателей постоянного тока, имеющих собственное время отключения порядка 0,04-0,05 сек. Для обеспечения четкого отключения токов короткого замыкания на участках контактной сети должны быть соблюдены условия, при которых токи короткого замыкания были бы больше максимальных расчетных токов нагрузки линии и установок зашиты быстродействующих линейных выключателей. Если указанные условия не выполняются, то применяются специальные технические мероприятия, способствующие надежному отключению быстродействующих выключателей. Это позволяет обеспечить также повышенную электробезопасность людей.
|