ГЛАВА IV
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
§ 14. ЦЕХОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОДСТАНЦИИ
Цеховые трансформаторные подстанции ТП получают питание от главной понизительной подстанции предприятия ГПП или от центрального распределительного пункта ЦРП обычно при напряжении 6—10 кВ. Это напряжение преобразуется трансформаторами на 690, 400 и 230 В, затем подается на сборные шины распределительного устройства и от него в виде питающих линий (фидеров) по кабелям, токопроводам или воздушным линиям ВЛ подводится к электроприемникам.
Оборудование цеховой ТП состоит в основном из трех частей: распределительного устройства на напряжение 6—10 кВ (РУ 6—10 кВ), понизительных трансформаторов и распределительного устройства на напряжение 220—660 В (РУ 220—660 В).
Сборные и ответвительные шины распределительного устройства обычно представляют собой голые алюминиевые полосы шириной 40—100 мм и толщиной 4—10 мм. Шины крепят на опорных и проходных изоляторах (рис. 25). Фланцы опорных изоляторов бывают круглые, овальные и квадратные.
Рис. 25. Изоляторы для внутренней установки на 6—10 кВ:
а — опорный ОМА (малогабаритный с внутренней армировкой), б — опорный ОВ, ОД, ОА и ОБ (с квадратным, круглым и овальным фланцем), в — проходной
Разъединители бывают однополюсные и трехполюсные и служат для включения и отключения электрических цепей под напряжением, но без нагрузки, а также для образования видимого разрыва электрической цепи. Допускается включение и отключение трехполюсными разъединителями трансформаторов мощностью до 750 кВ-А при напряжении 6—10 кВ без нагрузки (холостой ход).
На рис. 26 показан трехполюсный разъединитель РЛВ-111 на 6—10 кВ для внутренней установки. Ножи 5 разъединителя шарнирно укреплены на опорных изоляторах и перемещаются посредством фарфоровых тяг 4, которые соединены также шарнирно с рычагами 3, закрепленными на общем валу 1. На валу имеется рычаг 2, с которым трубчатой тягой соединяется рычажный привод ПР разъединителя (рис. 27).
Выключатели на напряжение выше 1000 В служат для включения и отключения электрических цепей под нагрузкой и автоматического отключения при опасных перегрузках и коротких замыканиях. Наибольшее распространение имеют малообъемные горшковые выключатели (например, ВМП-10 и ВМГ-133), но на ряде предприятий находятся в эксплуатации и баковые масляные — три фазы в общем баке с маслом (например, ВМБ-10). Применяются также воздушные и автогазовые выключатели.
Рис. 26. Трехполюсный разъединитель РЛВ-III
Рис. 27. Рычажный привод для трехполюсных разъединителей
В баковых масляных выключателях ВМБ-10 (рис. 28) контакты 4 и 6, разрывающие электрическую цепь, погружены в бак 1, заполненный трансформаторным маслом. При разрыве контактами электрической цепи образуется электрическая дуга высокой температуры; при этом выделяются газы, способствующие быстрому гашению дуги в масле.
Широко распространен в эксплуатации малообъемный масляный выключатель ВМГ-133 (рис. 29), в котором разрыв контактов каждой фазы происходит в отдельном баке 12, заполненном трансформаторным маслом. Выделение каждой фазы в отдельный бак в этом выключателе позволяет ограничиться сравнительно небольшим количеством масла. Следует отметить, что если в баковом выключателе ВМБ-10 бак изолирован от токоведущих частей, то в малообъемном выключателе ВМГ-133 все три бака находятся под напряжением.
В последние годы вместо выключателя ВМГ-133* применяют малообъемный выключатель со встроенным приводом ВМП-10 (рис. 30). Выключатели ВМП-10 выпускаются двух типоразмеров: для стационарной установки в камерах распределительных устройств (ВМП-10) и для малогабаритных комплектных распределительных устройств (КРУ) с ячейками выкатного типа (ВМП-10К).
* С 1972 года выключатели ВМГ-133 сняты с производства.
Рис. 28. Выключатель ВМБ-10:
1 — металлический бак, 2 — крышка бака, 3 — проходной изолятор, 4 — неподвижный контакт, 5 — подвижная траверса, 6 — подвижный контакт
Рис. 29. Выключатель ΒΜΓ-133: 1 и 10 — контактные зажимы; 2 — розеточный контакт, 3 — подвижный контакт, 4 — опорные изоляторы, 5 — рама, 6 — вал, 7 — изолятор (тяга) подвижного контакта, 8 — пружина, 9 — гибкая шинка, 11 — проходной изолятор подвижного контакта, 12 — бак
Управление выключателями ВМП-10 осуществляется электромагнитными приводами постоянного тока ПЭ-11. Внутри рамы 1, на которой смонтированы полюсы выключателя, расположены общий приводной вал с изолирующими тягами 3 и отключающие пружины. Опорные фарфоровые изоляторы 2 поддерживают каждый полюс выключателя, состоящий из прочного влагостойкого изоляционного цилиндра, на концах которого заармированы металлические фланцы. На верхнем фланце укреплен корпус из алюминиевого сплава, внутри которого находится подвижной контактный стержень и роликовое токосъемное устройство. Нижний фланец закрывается крышкой, под которой расположен неподвижный розеточный контакт 5, над розеточным контактом находится дугогасительная камера 6. Для повышения стойкости контактов к действию электрической дуги съемный наконечник подвижного контакта и верхние торцы ламелей розеточного контакта облицованы металлокерамикой. Выключатели ВМП-10 хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации. На ряде предприятий ими заменяют баковые выключатели.
На некоторых установках используют воздушные и автогазовые безмасляные выключатели (например, ВГ-10), в которых гашение дуги при разрыве контактов происходит под действием сжатого газа, воздуха или сильного магнитного поля. Для управления выключателями служат ручные или электромагнитные приводы.
660
Рис. 30. Выключатель ВМП-10 со встроенным приводом:
1 — основание (рама), 2 — опорные изоляторы, 3 — изолирующая тяга, 4 — нижний аппаратный зажим, 5 — розеточный контакт, 6 — дугогасительная камера, 7 — верхний аппаратный зажим, 8 — изоляционные перегородки между полюсами
Широко распространен рычажный привод ПРБА для ручного включения и отключения, общий вид и схема включения которого показаны на рис. 31. Рукояткой 1 (рис. 31, а), соединяемой системой трубчатых тяг с валом выключателя, и механизма, заключенного в корпус 4, можно вручную включать и отключать выключатель. Кроме того, в коробке 3 имеется электромагнитное реле для автоматического отключения выключателя при перегрузках и коротких замыканиях. Флажок 2 (блинкер) указывает, в каком положении находится выключатель — включенном или отключенном. Рычажок 5 служит для присоединения тяги блок-контактов КСА.
На рис. 31, а рукоятка привода показана, в верхнем положении, что соответствует включенному состоянию выключателя. Для отключения рукоятку надо переместить вниз. В начале хода рукоятка отпирает защелку, и выключатель отключается под действием отключающих пружин. Привод имеет механизм свободного расцепления, благодаря которому после отпирания защелки включающий рычаг еще в начале хода рукоятки теряет связь с механизмом привода. Для подготовки привода к новому включению рукоятку надо довести до отказа вниз; только в этом положении рычаг вновь войдет в сцепление с механизмом привода.
Как видно из схемы, показанной на рис. 31, б, привод ПРБА имеет два реле (расположены в нижней части привода, в коробке автоматики 3), катушки которых обтекаются током от трансформаторов тока главной цепи. Сердечники катушек имеют бойки, которые при определенных значениях тока толкают вверх запорную защелку механизма привода. При автоматическом отключении. рукоятка привода остается в верхнем положении благодаря механизму свободного расцепления, а флажок 2 переходит из нижнего вертикального в горизонтальное положение и указывает на то, что произошло автоматическое отключение выключателя. Одновременно с переводом рукоятки 1 вниз до отказа флажок переместится вниз в вертикальное положение.
Привод ПРА-10 служит для управления выключателем ВМБ-10 и отличается от привода ПРБА тем, что у него вместо рычага имеется заводная рукоятка, которая вращает вал привода выключателя.
Привод ПРА-12 предназначен для управления выключателем нагрузки. Принцип его устройства тот же, что и привода ПРБА, но у него нет блинкера.
Рис. 31. Привод ПРБА: а — общий вид, б — схема
Для дистанционного управления применяют электромагнитные (соленоидные) приводы, из которых наиболее распространен привод ПС-10, работающий на постоянном токе. Его устанавливают на стене или на панелях камер масляных выключателей. Он имеет отключающую и включающую катушку и сложный рычажный механизм.
Широко применяют также грузовые (рис. 32) и пружинные приводы, которые имеют как ручное, так и дистанционное управление от цепи переменного тока. В этих приводах отключающий механизм работает под воздействием опускающегося груза 4 или пружины. Для дистанционного управления эти приводы снабжены небольшими электродвигателями 1, которые после дистанционного отключения привода подтягивают груз (или пружину) в положение для включения.
Выключатели нагрузки служат для включения и отключения при. помощи рычажного привода высоковольтной цепи под нагрузкой. Защита от перегрузок и коротких замыканий осуществляется предохранителями ПК, которые могут быть установлены на общей раме с выключателями нагрузки.
Выключатель нагрузки ВН-16 рассчитан на номинальный ток до 400 А при напряжении 6 кВ и на ток до 200 А при напряжении 10 кВ.
Выключатель нагрузки в сочетании с высоковольтными предохранителями ПК представляет собой аппарат ВНП-16, показанный на рис. 33.
Рис. 32. Грузовой моторный привод ПГМ-10:
1 — электродвигатель, 2 — редуктор, 3 — сигнальные контакты КСА, 4 — груз, 5 — штурвал
Рис. 33. Выключатель нагрузки ВНП-16
Выключатель нагрузки имеет подвижные ножи 2, которые входят в специальные контакты, расположенные в гасительной камере 1. Гасительная камера представляет собой пластмассовый корпус, внутри которого имеются вкладыши из органического стекла. Под действием высокой температуры электрической дуги, образующейся при разрыве контактов, органическое стекло выделяет сильный поток газов, гасящих дугу в течение сотых долей секунды.
Выпускаются также выключатели нагрузки ВНП-17, которые отличаются от выключателей ВНП-16 наличием рычажного устройства, которое срабатывает при перегорании плавкой вставки высоковольтного предохранителя 3 и отключает выключатель.
Предохранители для напряжения 3—35 кВ бывают двух типов: силовые ПК (рис. 34, а) и для защиты трансформаторов напряжения ПКТ.
Устройство патрона предохранителя ПК показано на рис. 34, б. В фарфоровый патрон 1 с латунными обоймами 2 встроены плавкие вставки 3, либо намотанные на ребристый керамический сердечник (при величине номинального тока до 7,5 А), либо вставленные в виде спиралей внутрь патрона без сердечника (на номинальный ток выше 7,5 А).
Плавкие вставки представляют собой медные посеребренные проволоки с напаянными на них оловянными шариками, назначение которых облегчить и ускорить перегорание вставки от тока перегрузки, предохранив патрон от перегрева.
Рис. 34. Плавкий предохранитель ПК: а — общий вид, б — патрон предохранителя в разрезе
Указатель срабатывания 4 представляет собой якорек с пружиной, встроенный в нижнюю часть патрона и удерживаемый указательной стальной вставкой, проходящей через центральную часть патрона. При перегорании указательной вставки якорек выталкивается пружиной наружу, что свидетельствует о перегорании плавкой вставки внутри патрона. Патрон заполнен сухим кварцевым песком.
Предохранители ПК выпускают на номинальные токи до 75 А при напряжении 6 кВ, до 50 А при напряжении 10 кВ и до 20 А при напряжении 35 кВ. Предохранители ПКТ не имеют указателя срабатывания, а их плавкая вставка состоит из константановой проволоки, намотанной на фарфоровый сердечник, укрепленный внутри фарфорового патрона.
Рис. 35. Общий вид бетонного реактора РБ-10/600 для внутренней установки
Реакторы предназначены для ограничения тока короткого замыкания на отходящих от шин подстанций линиях (фидерах). Реакторы выполняются в виде катушек без стального сердечника, в связи с чем они обладают большим индуктивным сопротивлением и малым активным сопротивлением. При прохождении через реакторные катушки номинального тока напряжение в них падает незначительно. В то же время при токе короткого замыкания, во много раз превышающем номинальный ток, благодаря большому индуктивному сопротивлению падение напряжения в реакторах достигает значительной величины, что снижает ток короткого замыкания. На шинах подстанции при этом сохраняется напряжение в допустимых пределах.
Широкое распространение получили бетонные реакторы. В них катушки из гибкого многожильного изолированного провода намотаны на бетонные каркасы, установленные на изоляторах. При вертикальном расположении они образуют нижнюю фазу Н, среднюю С и верхнюю В, как показано на рис. 35. К зажимам 1, 2 и 3 подключают токоведущие шины.
Разрядники применяют для защиты электроустановок от перенапряжений (например, при грозовых разрядах), которые могут вызвать пробой изоляции в машинах и аппаратах. Разрядник на короткое мгновение соединяет с землей часть электрической цепи, где появилось опасное перенапряжение, и тем самым предохраняет остальную часть электроустановки. Если, например, к подстанции подходит воздушная линия, разрядник устанавливают на вводе. Появившийся в воздушной линии во время грозы заряд высокого напряжения через разрядник отводится в землю.
На подстанциях наиболее распространены вентильные (вилитовые) разрядники (рис. 36). Вилит — это особый керамический состав, обладающий свойством резко снижать электрическое сопротивление при повышении приложенного к нему напряжения. Вилитовый разрядник присоединяют к каждой фазе цепи высокого напряжения. При появлении опасного перенапряжения на фазе в разряднике происходят пробои искровых промежутков 4, сопротивление вилитовых дисков 5 резко падает и цепь фазы замыкается через диски 5 на землю. После снижения напряжения сопротивление вилитовых дисков мгновенно восстанавливается и цепь электрического тока на землю прерывается, на фазе электрической цепи восстанавливается нормальное напряжение.
Рис. 36. Вентильный (вилитовый) разрядник:
I — верхний ввод, 2 — резиновая прокладка, 3 — пружина, 4 — искровые промежутки, 5 — блок вилитовых дисков, 6 — фарфоровая рубашка, 7 — диафрагма, 8 — стопорная пружина, 9 — компаунд, 10 — наружная диафрагма, 11 — заземляющий зажим
Для защиты воздушных линий и небольших трансформаторных подстанций, питаемых от них, применяют трубчатые разрядники. Такой разрядник представляет собой трубку из фибры или органического стекла, внутри которой имеется металлический стержень с воздушным искровым промежутком. Один конец стержня присоединяют к фазе высокого напряжения, а другой — к заземлению. При перенапряжении в искровом промежутке внутри трубки появляется электрическая дуга высокой температуры, вследствие чего стенки трубки выделяют газы, которые гасят дугу. Газы под давлением сильным потоком выходят через открытый конец трубки.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения служат для включения измерительных приборов и аппаратов управления и защиты в цепях напряжением 500 В и выше. Трансформаторы тока применяют также в установках на напряжение ниже 500 В при больших токах, не позволяющих непосредственно присоединять приборы и аппараты управления и защиты к основной цепи, а также и при любых величинах тока, если требуется иметь дистанционное измерение тока.
Трансформаторы тока имеют первичную обмотку, включаемую последовательно в цепь тока, и вторичную, к которой подключают приборы и аппараты. Трансформаторы тока выпускают для напряжения до 1 кВ и для напряжения 3; 6; 10; 35 кВ и выше. В зависимости от назначения применяют трансформаторы тока разных классов точности (0,5; 1 и 3). Так, например, при расчетах за электроэнергию с энергосистемами для включения счетчиков должны применяться трансформаторы тока класса точности 0,5 (погрешность в трансформации тока не более 0,5%,). Для присоединения щитовых приборов допускается использовать трансформаторы тока класса точности 3 (погрешность в трансформации тока не более 3%).
Важно помнить об одной особенности трансформаторов тока: при прохождении тока по его первичной обмотке нельзя оставлять разомкнутой вторичную обмотку. На концах разомкнутой вторичной обмотки появляется повышенное, опасное напряжение (несколько сотен и тысяч вольт); кроме того, железный сердечник трансформатора перегревается, и обмотка может сгореть.
Рис. 37. Многовитковый трансформатор тока ТПФМ
Рис. 38. Трансформатор напряжения НОМ-10:
1 — выводы НН, 2 — болт заземления, 3 — зажимы для присоединения шин ВН, 4 — пробка отверстия для заливки масла, 5 — ввод ВН, 6 — бак с маслом
Поэтому, если надо отключить приборы, включенные в цепь вторичной обмотки трансформатора тока, предварительно замыкают накоротко вторичную обмотку и лишь после этого отключают и включают аппараты и приборы.
Вторичная обмотка трансформатора тока должна быть заземлена.
Высоковольтный многовитковый трансформатор тока ТПФМ проходного типа показан на рис. 37.
Вторичные обмотки трансформаторов тока изготовляют на номинальные токи в 1; 5 и 10 А. Преимущественное распространение имеют трансформаторы тока с номинальным током вторичной обмотки 5 А (20/5; 30/5; 100/5 А и т. д.).
В настоящее время широко применяют трансформаторы тока с литой изоляцией из эпоксидной смолы (ТПЛ и ТКЛ).
Трансформаторы напряжения бывают однофазные и трехфазные. Все трансформаторы напряжения имеют стандартное напряжение вторичной обмотки 100 В. Трансформатор напряжения НОМ-10 показан на рис. 38.
Необходимо подчеркнуть, что вторичная обмотка трансформатора напряжения (как и вторичные обмотки трансформаторов безопасного освещения на 36 и 12 В) должна быть заземлена для защиты персонала при появлении опасного для жизни напряжения в обмотке низшего напряжения в результате пробоя изоляции между обмотками.
Конструкции цеховых ТП.
На рис. 39 показана принципиальная схема ТП с двумя трансформаторами мощностью до 320 кВ·А. Подстанция питается двумя вводами линий 3—10 кВ, которые через разъединители заходят на сборные шины этого напряжения. Так как линия (или часть ее) может быть воздушной, к шинам присоединен трубчатый разрядник РВП. К сборным шинам 3—10 кВ через разъединители РВ и предохранители ПК подключены трансформаторы ТМ 180—320 кВ·А с низшим напряжением 400/230 В и через рубильники с предохранителями ПР-1 присоединены отходящие линии. При более мощных трансформаторах на стороне высшего напряжения вместо предохранителей ПК устанавливают выключатели нагрузки с предохранителями ПК или масляные выключатели.
Рис. 39. Принципиальная схема ТП с двумя трансформаторами мощностью до 320 кВ-A
На стороне низшего напряжения трансформаторы присоединены к сборным шинам 400/230 В через рубильники, предохранители ПР-1 и трансформаторы тока. Нулевая точка на стороне низшего напряжения выведена на общую нулевую сборную шину, к которой подключены нулевые провода трехфазных отходящих линий. К сборным шинам 400/230 В, разделенным автоматом на две секции, присоединены вольтметры с переключателями и счетчики активной и реактивной энергии.
Цеховые ТП разделяют на отдельно стоящие, внутрицеховые, встроенные в здание цеха или пристроенные.
Цеховую ТП всегда стремятся расположить как можно ближе к центру электрической нагрузки, чтобы уменьшить расход цветного металла на питающие сети от подстанции к электроприемникам. С этой точки зрения наиболее экономичны внутрицеховые ТП (см. рис. 7). Возможность применения внутрицеховых ТП зависит от характера производства, конструкции здания и определяется противопожарными нормами. В закрытых внутрицеховых ТП допускается устанавливать не более трех масляных трансформаторов общей мощностью не выше 2000 кВ-А.
Рис. 40. Комплектная трансформаторная подстанция КТПВ-6/0,4—0,23 кВ для внутренней установки с трансформатором мощностью 1000 кВ-А
При этом максимальная мощность внутрицеховых ТП, устанавливаемых на втором этаже, не должна превышать 750 кВ-А. При применении сухих трансформаторов или. трансформаторов, заполненных негорючим жидким диэлектриком, мощность внутрицеховых ТП не ограничивается.
Наиболее совершенным современным типом цеховой ТП (особенно для установки внутри цеха) является комплектная трансформаторная подстанция КТП заводского изготовления. Монтаж КТП на месте сводится к ее установке, сборке, соединению отдельных узлов и присоединению внешних сетей.
На рис. 40 схематически показана комплектная подстанция КТПВ для внутренней установки с трансформатором мощностью 1000 кВ-Ac баком повышенной прочности без расширителя. На стороне высшего напряжения (слева) имеется шкаф 1, в котором установлен выключатель нагрузки с высоковольтными предохранителями ВНП-16.
Распределительное устройство низшего напряжения состоит из трех шкафов: шкафа головного автомата 3 и двух шкафов 4 отходящих линий с тремя автоматами в каждом. Головной автомат соединяет сторону низшего напряжения трансформатора 2 с шинами распределительного устройства. Все автоматы имеют штепсельное присоединение и смонтированы на выкатных тележках в виде отдельных блоков. Измерение и учет энергии производятся на стороне низшего напряжения, для чего в шкафу головного автомата установлены счетчики, амперметр, вольтметр и трансформаторы тока. Обслуживается такая подстанция с двух сторон. Все оперативные включения и отключения производятся только с фасада.
Встроенные ТП находятся внутри здания, но примыкают к наружным стенам, и выкатка трансформаторов из камер производится наружу. Во взрывоопасных цехах устройство встроенных ТП не разрешается. Пристроенные ТП располагают снаружи зданий таким образом, чтобы они примыкали к наружным стенам цеха. Пристройка ТП к взрывоопасным цехам не допускается.
Рис. 41. Распределительный щит двустороннего обслуживания блочного типа
Рис. 42. Общий вид камеры КСО
Как во встроенных, так и в пристроенных ТП распределительные щиты низшего напряжения (220; 380 и 660 В) расположены обычно в закрытом помещении.
Распределительные щиты могут быть двустороннего (рис. 41) и одностороннего обслуживания (во второй случае все соединения делают спереди). Распределительный щит конструкции, показанной на рис. 41, собирается из блочных рубильников — предохранителей.
Рис. 43. Камера КРУ с масляным выключателем ВМГ-133:
а — внутренний вид, б — тележка с выключателем
Рис. 44. Трехфазный силовой трансформатор мощностью 320 кВ-А: 1 — рукоятка переключения ответвлений обмотки высшего напряжения, 2 — выводные изоляторы высшего напряжения, 3 — выводные изоляторы низшего напряжения, 4 — маслоуказатель, 6 — расширитель, 6 — пробка с фильтром, 7 — радиатор, 8 — кожух трансформатора, 9 — магнитопровод с обмотками, 10 — обмотка высшего напряжения, 11 — обмотка низшего напряжения, 12 — катки
Трансформаторы и распределительные устройства высокого напряжения могут устанавливаться как в закрытом помещении, так и открыто (наружная установка). Распределительное устройство высокого напряжения внутренней установки состоит из камер КСО (сборные одностороннего обслуживания, рис. 42) или КРУ (комплектные). Камера комплектного распределительного устройства показана на рис. 43. Выключатели имеют штепсельное присоединение и вместе с другими смонтированными аппаратами могут выдвигаться на тележке из шкафа камеры в коридор обслуживания для осмотров, ремонтов и ревизий.
Для наружных установок имеются специальные камеры распределительных устройств КРУН (комплектные наружные) в виде стальных шкафов с уплотнением дверей. Применение таких распределительных устройств ускоряет и удешевляет сооружение подстанций.
