Содержание материала

Глава девятая
КОНСТРУКЦИЯ, ИСПЫТАНИЕ И ВКЛЮЧЕНИЕ В РАБОТУ ДУГОГАСЯЩИХ АППАРАТОВ

1. КОНСТРУКЦИЯ ДУГОГАСЯЩИХ АППАРАТОВ
Дугогасящие аппараты являются по существу реакторами. Но они отличаются от линейных реакторов тем, что их реактивное сопротивление значительно выше и вольт-амперная характеристика не является линейной при напряжении выше номинального. Этим требованиям удовлетворяет конструкция, использующая стальной сердечник с распределенными воздушными зазорами (см. рис. 144 и 220).

Основные особенности конструкции

Нежелательно делать в сердечнике один сосредоточенный воздушный зазор. На рис. 290,а виден значительный краевой поток, вызванный наличием одного зазора между стержнем и ярмом.  Сердечник можно улучшить, расположив воздушные зазоры посредине сердечника. Однако на практике применяют распределение воздушных зазоров вдоль значительной длины керна, как показано на рис. 290,б и в. Это осуществляется путем сборки сердечника из отдельных коротких пакетов, в каждом из которых осуществляется индивидуальное крепление пластин. Хотя изготовление таких сердечников обходится дороже, чем изготовление сердечников обычных силовых трансформаторов, но используемый материал дешевле, так как могут употребляться обрезки пластин обычных силовых трансформаторов. Выполнение очень большого числа малых зазоров является неэкономичным, однако на практике не выполняют зазоров более 1" (25 мм). В зазоры закладываются твердые прокладки, сделанные из бумаги, пропитанной бакелитом, или электрокартона, покрытого лаком. Готовые пакеты стали плотно скрепляются вместе при помощи немагнитных болтов, расположенных под обмоткой либо открыто (см. рис. 294,б и 305). При таком изготовлении уменьшается также гудение сердечника, хотя это и не имеет существенного значения ввиду кратковременности работы катушки с нагрузкой.
Одна фирма выпускает стандартные сердечники с диаметром 76,2—508 мм. Коэффициент заполнения (площадь стали в процентах полной площади сердечника) изменяется от 70% для самых малых сердечников до 78% для самых больших. Применяются стандартные длины пакетов 31,8; 38,1; 50,8; 76,2 и 101,6 мм, но первые два размера используются только для самых малых сердечников. Если не требуется уменьшить потери в стали, то обычно считаются подходящими пластины толщиной 0,5 мм. Такие пластины имеют потери 2,76 (2,2) вт/кг при 10 000 гс и 7,06 (5,52) вт/кг при 15000 гс при частоте 60 (50) гц.
Расчет эффективного потока реактора с воздушным зазором имеет некоторые особенности по сравнению с расчетом трансформаторов. Поток занимает четыре области. Первая область определяется объемом воздушного зазора. Вторая область характеризуется краевым потоком, расположенным параллельно каждому зазору. Третье область занимает пространство между внутренним диаметром обмотки и наружным диаметром сердечника. Четвертая область — сама обмотка. 
Конструкции сердечника дугогасящих аппаратов
Рис. 290. Конструкции сердечника дугогасящих аппаратов.
а — сосредоточенный воздушный зазор; б — распределенный воздушный зазор; в— воздушные зазоры внутри главной катушка.

Влияние второй, третьей и четвертой областей незначительно по сравнению с воздушными зазорами, учитывая, что падение н. с. вдоль сердечника очень мало.

Переключение отпаек часто выполняется с помощью обычных переключателей при отключенных катушках. Эти переключатели встраиваются внутрь бака и управляются ненаружным ручным приводом. Иногда переключающее устройство делается в специальном кожухе, установленном на основном баке. Также применяются переключатели отпаек под нагрузкой; о них будет говориться в конце § 1.4.
Хотя для регулирования реактивного сопротивления используют преимущественно изменение отпаек, применяют также и конструкции с непрерывным регулированием (см.§ 1.5).
Типы вводов и уровень внутренней изоляции обычно берутся в соответствии с классом изоляции установки на основании существующей практики для трансформаторов.

Мощность по нагреву

В Европе, где была впервые введена и используется рядом стран компенсация нейтрали, предпочитают выбирать номинальную мощность катушек из условий длительной и двухчасовой работы с полной нагрузкой. При этом предполагается, что иногда достигается максимальная допустимая температура нагрева, по принимаются меры к тому, чтобы такие случаи были редкими и непродолжительными. В настоящее время при определении теплового режима работы катушки исходят из предположения, что время работы с пол ной мощностью не превышает 90 дней в году (стандарт AIEE).
Если длина секций обмоток превышает длину участка сердечника с зазорами, поток через радиальное сечение обмотки увеличивается, что влечет за собой увеличение индуктивности. Это обстоятельство рассматривается в § 1.4 настоящей главы.
Конструкция обмоток дугогасящих катушек в значительной мере определяется необходимостью устройства большого числа отпаек. Применяются два типа обмоток: дисковые обмотки с вертикальным расположением и слоевые обмотки, имеющие отдельные регулировочные секции. Об этом будет более подробно сказано в § 1.6 настоящей главы.
Очевидно, что с этой точки зрения допустимая граница нагрева может быть несколько выше, чем для трансформаторов, работающих длительно с номинальной нагрузкой. Европейская практика устанавливает верхние границы температуры 70°С для масла и 80° С для меди (по сопротивлению). Окружающая температура не должна превышать + 35° С. В противоположность этому стандарт AIEE определяет максимум температуры верхних слоев масла 50° С для аппаратов без консерватора и 55° С для аппаратов с консерватором; превышение температуры меди над окружающей не должно быть больше 75° С (измерение по сопротивлению). Средняя за 24 ч температура окружающего масла не должна превышать 30° С.

Дугогасящие аппараты, как правило, выполняются с естественным масляным охлаждением. Для непродолжительного режима работы дугогасящего аппарата с большой нагрузкой можно выполнить интенсивное охлаждение при помощи вентиляторов. Их можно включать, когда система будет находиться в работе с замыканием на землю. Пример дан на рис. 306.
Стандарт ΑΙΕΕ предлагает продолжительность работы с номинальной нагрузкой установить в 10 мин для систем, снабженных средствами для обнаружения места замыкания и отключения поврежденного участка. Определение мощности по более короткому времени работы не рекомендуется, во-первых, потому, что дугогасящий аппарат должен выдерживать несколько следующих друг за другом замыканий на землю, во-вторых, потому, что возможна работа такого аппарата в системе, имеющей смещение нейтрали до 30% нормального фазного напряжения. Это постоянно действующее напряжение вызывает протекание тока через реактор (дугогасящую катушку). Дугогасящая катушка, которая может продолжительно пропускать 30% ее номинального тока на любой отпайке без превышения допустимой температуры, будет автоматически пригодна для работы со 100%-ным током в течение 10 мин. Предельные температуры при этом имеют следующие величины: для масла — повышение до 55° С для аппаратов без консерватора, до 60° С —с консерватором; для меди — до 125° С над температурой окружающей среды. Из опыта эсплуатации следует, что эти температуры обеспечивают достаточный срок службы аппаратов, если в среднем аппарат работает с полной нагрузкой 5 раз в год.
Повышение температуры обмотки вследствие потерь нормального режима не должно превышать 55° С. Эта исходная температура учитывается при расчетах 10-минутной мощности.
Мощность заземляющих трансформаторов определяется так же, как и мощность дугогасящих аппаратов, с теми же верхними пределами температур.
При определении полных потерь нормального режима таких заземляющих трансформаторов и трехфазных дугогасящих аппаратов должны учитываться потери в стали при 110% расчетного напряжения и потери в меди, которые вызваны протеканием тока из-за смещения нейтрали. Если заземляющий трансформатор питает нагрузку с помощью дополнительной обмотки, соответствующие потери также должны учитываться.
Дополнительные сведения по этому вопросу можно найти в [Л. 1—3].
Для вспомогательных аппаратов, которые подвергаются тепловому воздействию при замыканиях на землю, необходимо учитывать увеличение тока при шунтировании дугогасящей катушки активными сопротивлениями. Хотя обычно время включения шунтирующего сопротивления не превышает нескольких секунд (см. § 14.3.6 гл. 6), необходимо учитывать возможность ряда последовательных замыканий на различных линиях, поэтому правильнее исходить из времени порядка 1 мин.
Динамические усилия в обмотках обычно рассчитываются по току, составляющему 1,2 тока термической устойчивости.

Изоляция

Удобно обозначать уровень изоляции в соответствии со стандартными напряжениями, принятыми для трансформаторов. Класс изоляции дугогасящего аппарата необязательно должен быть таким же, как и у системы, в которой он установлен. Вопросы согласования уровней изоляции были разобраны в § 11.3.4 гл. 6.
Если не применять защитных мер для ограничения перенапряжений, любое заземляющее устройство в нейтрали должно иметь уровень изоляции, соответствующий линейному напряжению системы.
Когда используется защита от перенапряжений, то класс изоляции должен соответствовать фазному напряжению или немного большему. Рекомендуемые стандартом ΑΙΕΕ уровни изоляции нейтрали приведены в табл. 47.

Таблица 47

Для систем с напряжением ниже 15  кВ этот стандарт рекомендует брать уровень изоляции дугогасящих аппаратов равным классу напряжения системы.
Заземляющие трансформаторы и трехфазные компенсирующие аппараты имеют изоляцию линейного вывода, соответствующую уровню изоляции системы. Уровень изоляции нулевого вывода заземляющих трансформаторов должен быть равен уровню изоляции присоединенной к нему дугогасящей катушки.
Вспомогательное оборудование (линейные выключатели, шунтирующие сопротивления, трансформаторы напряжения, разъединители, шины и т. д.) должно иметь ту же изоляцию, что и дугогасящий аппарат.
Трансформаторы тока обычно подключаются к заземляющему выводу компенсирующего аппарата и имеют низкий уровень изоляции. Если трансформаторы тока установлены в баке и имеют испытательное напряжение ниже, чем изоляция катушки, они должны отключаться от главной обмотки во время приложения испытательного напряжения.