Сегодня: 23 | 10 | 2020

Электрические аппараты конспект лекций (11 - 22 лекции )

ЛЕКЦИЯ № 20

15 РАЗЪЕДИНИТЕЛИ, ОТДЕЛИТЕЛИ, КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ. ВЫБОР, УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

РАЗЪЕДИНИТЕЛИ

Служат для включения и отключения цепи высокого напряжения либо при токах, значительно меньше номинального, либо в случаях, когда отключается номинальный ток, но напряжение на контактах аппарата недостаточно для образования дуги.

Для внутренних установок, не подверженных воздействию атмосферы и напряжением не выше 20 кВ, применяются рубящие разъединители с движением подвижного контакта (ножа) в вертикальной плоскости.

На рисунке 15.1 показан трёхполюсный разъединитель типа РВ на напряжение 10 кВ и I=400 A, на рисунке 15.2 - в увеличенном масштабе его контактная система.

Рисунок 15.1 – Разъединитель типа РВ

Рисунок 15.2 - Контактная система разъединителя типа РВ

Подвижной контакт 1 выполнен в виде двух параллельных шин. При КЗ электродинамическая сила прижимает шины 1 к стойкам неподвижного контакта 2. При номинальном токе контактное нажатие создается пружинами 3, которые воздействуют на подвижной контакт через стальные пластины 4.

Магнитный поток, создаваемый проходящим по шинам током, замыкается вокруг них и через стальные пластины 4. в системе возникают электродинамические силы такого направления, чтобы возросла энергия магнитного поля. Пластины приближаются к шинам 1 и попадают в зону более сильного магнитного поля. Создается сила Р, притягивающая стальные пластины к шинам и увеличивающее контактное нажатие.

Для управления разъединителями типа РВ применяются рычажные системы с ручным или моторным приводом. Чтобы избежать отключения под действием ЭДС, во включенном положении механизм находится в положении, близком к мертвому (рисунок 15.3) (шатун 1 и короткий рычаг 2 шарнира О располагаются почти на прямой).

Рисунок 15.3 - Рычажный привод разъединителя

Рычаг 3 фиксируется в отключенном и включенном положении с помощью стопоров. При токах более 3 кА рычаг 3 заменяется червячной передачей. Для дистанционного управления применяются электрические и пневматические приводы.

В пневматическом приводе отсутствуют рычажные передачи (рисунок 15.4).

Рисунок 15.4 - Пневматический привод разъединителя

Поршневой механизм 1, блок пневматических клапанов управления 2, 3 и электромагниты управления 4 и 5 устанавливаются непосредственно на раме разъединителя. К нему подводятся трубопровод со сжатым воздухом 6 и цепи управления электромагнитами.

При подаче напряжения на обмотку электромагнита 4 срабатывает клапан включения 2. Верхний цилиндр включения поршневого механизма 1 разобщается с атмосферой. В это время нижний цилиндр 7 отключения через клапан отключения 3 связан с воздухом. Под действием сжатого воздуха верхний поршень поворачивает рычаг и связанный с ним вал разъединителя 8, что приводит к замыканию (размыканию) контактов.

Для наружной установки используются разъединители поворотного типа РНД. На рисунке 15.5 показан РНД3-1 на U=220 кВ и . На раме 1 смонтированы неподвижные изоляторы 3 и подвижные 3, которые могут вращаться вокруг своей оси. С подвижным изолятором связаны контакты разъединителя в виде ножей 5. Места сочленения подвижных деталей защищены кожухом 4. Для размыкания ножей 5 поворачивается правый изолятор 3, который с помощью тяги 8 поворачивает левый изолятор 3. При необходимости правый нож в положении «откл» может быть заземлен с помощью дополнительного ножа 7, который замыкается с контактом 6. Благодаря механической блокировке заземление возможно только при отключенном положении ножей 5.

При экономию площади дают подвесные разъединители (рисунок 15.6).

Неподвижный контакт 1 в виде кольца укреплен на изоляторе 2. В качестве опоры контакта 1 используются трансформаторы тока или напряжения.

Подвижный контакт 3 подвешен к гирлянде 4 подвесных изоляторов на стальных тросах 5.

Рисунок 15.5 - Разъединитель типа РНАЗ-1

Тросы 5 пропущены через блоки 6 на портале 7 и связаны с барабаном электролебёдки. Подвижный контакт 3 соединен с токоведущей трубой 9, неподвижный - с гибкой шиной 8 или с контактом аппарата.

Рисунок 15.6 - Подвесной разъединитель

При включении контакт 3 опускается вниз под действием груза, который создает контактное нажатие.

При отключении контакт 3 и груз поднимаются с помощью лебёдки. Разъединители разработаны на U до 1150 кВ и длительные токи до 3,2 кА.

БЛОКИРОВКА РАЗЪЕДИНИТЕЛЕЙ И ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Электромагнитная замковая блокировка (рисунок 15.7).

Рисунок 15.7 – Электромагнитная блокировка с ключом

Для операции с разъединителем ключ в виде электромагнита (рисунок 15.7,а) вставлен в замок (рисунок 15.7,б). Концы катушки 2 электромагнита выведены на штыревые контакты 3. Если выключатель отключен, то через его размыкающие блок-контакты и гнезда 4 подается напряжение на катушку 2. При нажатии на кольцо 1 якорь 5 опускается и под действием электромагнитной силы сцепляется с запирающим плунжером 6. При движении якоря 5 вверх он будет перемещать связанный с ним плунжер 6. Деталь 8 привода разъединителя будет освобождена, а штифты 7 войдут в паз А ключа, не допуская его снятия с замка. Разъединитель может включаться и выключаться только если ключ находится в замке. Вынимается ключ при отключенном состоянии выключателя, т. е. при отсутствии тока через разъединитель.

ОТДЕЛИТЕЛИ И КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ

Короткозамыкатель быстродействующий контактный аппарат, с помощью которого по сигналу релейной защиты создается искусственное КЗ сети.

Отделитель представляет собой разъединитель, который быстро отключает обесточенную цепь после подачи команды на его привод.

КОНСТРУКЦИЯ КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛЕЙ И ОТДЕЛИТЕЛЕЙ

На рисунке 15 .8 короткозамыкатель КЗ-110 на U=110 кB.

Рисунок 15.8 - Короткозамыкатель

На стальной коробке 1 установлен опорный изолятор 2. Верху опорного изолятора расположен неподвижный контакт 3, находящийся под высоким напряжением. Подвижный заземленный контакт - нож 4 укреплен на валу 5 привода короткозамыкателя. Для создания необходимой прочности нож 4 имеет ребро жесткости 6. Основание 1 изолировано от земли и присоединяется к одному концу первичной обмотки трансформатора тока, второй конец заземлен (рисунок 15.9). На вал 5 действует пружина привода, которая заводится в отключенном состоянии.

Рисунок 15.9 - Схема релейной защиты при использовании отделителей и короткозамыкателей.

Для включения подается команда на электромагнит привода, который освобождает защелку механизма. Под действием пружины нож перемещается в вертикальной плоскости вверх и заземляет контакт 3.

Время включения короткозамыкателя 0,15 – 0,25 с.

В основу конструкции отделителя ОД-11OУ на 110 кВ (рисунок 15.10) положен двухколонковый разъединитель с вращением ножей 1 в горизонтальной плоскости. Приведение в движение колонок 2 осуществляется пружинным с электромагнитным управлением.

Рисунок 15.10 - Отделитель

Во включенном положении пружины привода заведены. При подаче команды пружина освобождается и контакты расходятся за t=0,4 - 0,5 c.

Параметры короткозамыкателей и отделителей приведены в Электротехническом справочнике МЭИ, т. I, II. М.: Энергоиздат ; 1985,1986, 448с и 712 с.

Схема релейной защиты при использовании отделителей и короткозамыкателей приведен на рисунке 15.11.

Рисунок 15.11 - Схема релейной защиты при использовании отделителей и короткозамыкателей

Короткозамыкатель 1 имеет пружинный привод 4. Механизм расцепления 6 привода может срабатывать от реле максимального тока мгновенного действия 8 и независимого расцепителя 10. От трансформатора тока 3 питается электромагнит 9 расцепителя отделителя 2. Отделитель 2 отключается под действием пружины 5. При нормальной работе подстанции отделитель 2 включен, короткозамыкатель 1 отключен. При внутреннем повреждении трансформатора срабатывает реле защиты КА, или газовое реле . Промежуточное реле включает электромагнит независимого расцепителя 10. Короткозамыкатель 1 включается и через трансформатор тока 3 течет ток К3. Электромагнит 9 включается, и его якорь 11 заводит пружину 12. Схема находится в таком состоянии до тех пор, пока от защиты не отключится выключатель на стороне высокого напряжения 220 кВ.

После отключения выключателя ток через короткозамыкатель 1 и в обмотке трансформатора 3 прекратится. Электромагнит 9 обесточится, его якорь освобождает защелку 7, и отделитель 2 размыкается. Такая схема применяется когда выключатель отключается от заземлено действующей защиты. При быстродействующей защите линии применяются другие схемы.

Рассмотренные аппараты не обеспечивают достаточную надёжность работы при гололёде и сильных морозах. Для уменьшения времени срабатывания замыкателя и времени отключения отделителя сокращают междуконтактное изоляционное расстояние, применяя элегазовую или вакуумную среду.

На рисунке 15.12 представлен элегазовый короткозамыкатель на U=110 кB.

Рисунок 15.12 - Элегазовый короткозамыкатель

В фарфоровом цилиндре 1 установлены контакты 2 и 3. Давление элегаза O,3 мПа. Привод подвижного контакта 3 осуществляется тягой 5. Стальной сильфон 4 обеспечивает герметизацию полосы цилиндра 1. Расстояние между контактами 85-110 мм. Время срабатывания в 4 - 5 раз меньше, чем у существующих короткозамыкателей открытого типа.

ВЫБОР РАЗЪЕДИНИТЕЛЕЙ

разъединителя должно соответствовать высоковольтной сети.

Наибольший длительный ток нагрузки потребителя не должен превышать номинальное значение длительного тока разъединителя.

Ударный ток КЗ в месте установки разъединителя не должен превышать допустимую амплитуду ударного тока КЗ разъединителя. Ток термической стойкости в течение времени , гарантированный заводом-изготовителем, и ток КЗ , должны быть связаны соотношением


Внешние условия работы разъединителя должны соответствовать реальным условиям эксплуатации аппарата (скорость ветра, температура, гололёд).

ВЫБОР КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛЕЙ И ОТДЕЛИТЕЛЕЙ

короткозамыкателя должно соответствовать номинальному значению напряжения сети. Динамическая и термическая стойкости короткозамыкателя должны соответствовать току КЗ в месте его установки. Время включения короткозамыкателя должно соответствовать требованиям схемы автоматики. Номинальные данные по ток и напряжению выбираются так же, как и для разъединителя. Кроме того, время отключения должно требованиям схемы автоматики.

ЛЕКЦИЯ № 21

16 ДАТЧИКИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изменения

Входной (контролируемой) неэлектрической величины в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления - линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивление, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

РЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

В датчиках подвижный скользящий контакт 1 переменного резистора связан с элементом, перемещение которого контролируется (рисунок 16.1, а, б).

Если сечение каркаса 2, на котором намотан резистор, всюду одинаково, то сопротивление датчика меняется пропорционально углу поворота или ходу .

Рисунок 16.1 - Различные исполнения резистивных датчиков

Возможные схемы включения датчиков приведены на рисунке 16.2.

Наиболее простой является реостатная схема рисунок 16.1, а. Широко применяется потенциометрическая схема рисунок 16.1, б.

В схеме рисунок 16.1,в при перемещении подвижного контакта вниз или вверх от начального среднего положения , выходное напряжение меняет полярность. В схеме рисунок 16.1, г при перемещении левого подвижного контакта вниз, правый с помощью механической передачи движется вверх. При этом чувствительность возрастает в 2 аза. Чувствительность резистивных датчиков может быть 3 – 5 В/мм.

Погрешность работы датчиков зависит от стабильности питающего напряжения точности изготовления конструктивных деталей, температурной стабильности использованного проводникового материала. Для повышения температурной стабильности следует применять проволоку с малым температурным коэффициентом сопротивления.

Резистивные датчики применяются для измерения линейных и угловых перемещений. с их помощью можно измерить уровень и расход жидкости (датчик соединяется с поплавком), силу (датчик соединяется с упругим элементом, деформируемым измеряемой силой), размеры и т. д.

Преимущества резистивных датчиков заключаются в простоте конструкции, точности работы до 0,5 %, малых массе и габаритах. Недостатком является наличие подвижного контакта, ухудшающего надежность работы и уменьшающего срок службы.

КОНТАКТНЫЕ РЕЛЕЙНЫЕ ДАТЧИКИ

Для контроля размеров и отбраковки негодных деталей широко применяются контактные релейные датчики (рисунок 16.2).

Рисунок 16.2 - Контактный датчик

Минимальная погрешность при срабатывании контактного датчика находится в пределах 1 ‑ 2 мкм.

Если толщина детали 1 находится в поле допуска, то горит лампа Л2. Если толщина детали 1 больше нормы, то замыкаются контакты 2, 3, загорается лампа Л1 и гаснет лампа Л2. Если толщина детали меньше нормы, то замыкаются контакты 2, 4, загорается лампа Л3 и гаснет лампа Л2.

Погрешность и надежность работы датчика зависят от работы контактной системы.

БЕСКОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ

ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Рассмотрим индуктивный датчик (рисунки 16.3, 16.4).

Рисунок 16.3 - Индуктивный датчик с изменяющимся зазором

Рисунок 16.4 - Индуктивный датчик с изменяющейся площадью зазора

Если пренебречь магнитным сопротивлением стали, потоками рассеяния и выпучивания, то индуктивность обмотки:


Ток в цепи обмотки:


Индуктивность обмотки L и протекающий по ней ток I могут изменяться за счет изменения зазора или его площади S.

На рисунке 16.3, а представлен датчик с изменяемым зазором , а на рисунке 16.4, а с изменяемой площадью S зазора, пропорциональной координате перемещения d. Зависимость индуктивности и тока от зазора дана на рисунке 16.3, б, а зависимость L от S или координаты d - на рисунке 16.4, б.

Погрешности индуктивных датчиков определяются стабильностью напряжения и частоты источника питания, влиянием температуры на активное сопротивление обмотки и размеры рабочего зазора.

Чувствительность индуктивного датчика при изменении зазора:


При изменении площади:


Где - начальное значение индуктивности датчика при и ;

- длина зазора и его площадь в начале хода;

и - изменение зазора и площади.

Таким образом, чувствительность является нелинейной функцией . Для работы с малой нелинейностью целесообразно выбирать .

На якорь, описанных датчиков действует сила, создающая механическую нагрузку на элемент, перемещение которого контролируется. Это сила:


Для устранения этого недостатка применяется дифференциальные датчики. Дифференциальный датчик содержит две одинаковые и симметрично расположенные электромагнитные системы (рисунок 16.5, а).

Рисунок 16.5 - Дифференциальный индуктивный датчик

Токи в обмотках Равны:


Где K- Конструктивный фактор, R - активное сопротивление обмотки.

Ток в нагрузке:

При увеличении зазора ток в обмотке увеличивается, а ток в обмотке уменьшается, так как зазор тоже уменьшается.

Зависимость тока в нагрузке от зазора показана на рисунке 16.5, б. По сравнению с рисунком 16.3, б возрастает крутизна этой зависимости, и она становится более линейной. Если пренебречь активным сопротивлением цепи, то сила действующая на якорь, не зависит от зазора и поток, проходящий через зазор , равен потоку в зазоре . Таким образом, в дифференциальном датчике отсутствуют механические воздействия на контролируемый элемент. Применение дифференцированных датчиков обеспечивает расширение пределов измерений и повышение чувствительности.

Если в воздушный зазор вводить профилированный ферромагнитный диск то контролируемый угол достигает И может быть получена зависимость L=f(2) любого вида. Если в зазор вводится диск из немагнитного электропроводящего материала, то это аналогично появлению в магнитной системе короткозамкнутого витка, что создает реактивное магнитное сопротивление . Тогда индуктивность:

.


зависит от формы диска, его электрической проводимости и положения в рабочем зазоре, с целью повышения чувствительности такой датчик может быть включен в колебательный контур с частотой 10-15 кГц. Аля уменьшения потерь катушки датчика выполняются в виде двух плоских обмоток без магнитопровода, между которыми перемещается диск.

При изменении положения диска изменяется частота колебательного контура, включенного в цепь сетки электронной лампы, и в определенном положении возникают условия самовозбуждения генератора. Контролирующий прибор включен в анодную цепь. При работе в такой схеме датчик имеет очень высокую чувствительность.

ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ДАТЧИКИ (ТД)

В т. д. (рисунок 16.6, а) при изменении зазора полное сопротивление первичной обмотки:


Также меняется и происходит перераспределение напряжений: И

Зависимость выходного напряжения представлена на рисунок 16.6, д. В более совершенном ТД (рисунок 16.6, б) можно найти приближенно с помощью уравнений:


Рисунок 16.6 - Трансформаторные датчики:

А - трансформаторный датчик с одним магнитопроводом; б - дифференциальный трансформаторный датчик; в - трансформаторный датчик с изменяемой площадью зазоров; г - датчик с поворотной рамкой

Таким образом, прямо пропорционально разности зазоров . При больших перемещениях применяются датчики с изменяемой площадью зазора (рисунок 16.6, в).

При угловых перемещениях контролируемого элемента используются датчики с поворотной рамкой (рисунок 16.6, г). В таком датчике пропорционально синусу угла поворота якоря :


Где - число витков рамки,

- максимальное значение индукции в рабочем зазоре, Тл;

Sp - площадь рамки, ;

- угол поворота.

ТД отличаются от индуктивных отсутствием гальванической связи между цепью питания и выходной цепью, а так же простотой измерительных схем. Относительно большая мощность датчиков позволяет примeнить их без промежуточных усилителей. Индуктивные и трансформаторные датчики нашли широкое применение для измерения перемещений, деформаций, контроля и размеров т т. п.

МАГНИТОУПРУГИЕ ДАТЧИКИ

Если на ферромагнитный материал воздействует механическое усилие, то меняется его магнитная проницаемость . Это явление используется в датчиках для измерения статических и быстро изменяющихся механических нагрузок. В магнитоупругий датчик на рисунке 16.6, а и б при изменении силы Р изменяется магнитная проницаемость материала магнитопровода, и индуктивное сопротивление обмотки.

Рисунок 16.6 – Магнитоупругие датчики больших усилий

В датчиках на рисунке 16.6, в, г за счёт изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность обмоток и, следовательно, выходное напряжение . Относительная чувствительность датчика:


Где - относительное удлиннение ( сжатие) магнитопровода под воздействием силы Р.

В пределах упругой деформации =, Механическое напряжение в ферромагнитном материале; Е - модуль упругости. Изменение проницаемости Можно выразить через конструктивные параметры:


Где - абсолютная магнитная проницаемость, гн/м;

В - индукция насыщения материала, Tл;

Относительная деформация при

Тогда:


Для увеличения чувствительности материалы имели высокую проницаемость и мощную индукцию насыщения. Для таких датчиков широко применяется пермоллой. С целью увеличения чувствительности магнитопровод датчика выполняется без зазоров, в некоторых исполнениях датчика тонкая пластина пермоллоя с обмоткой приклеивается к детали так же, как тензодатчик.

Погрешности датчика вызываются колебаниями питающего напряжения, температуры и магнитоупругим гистерезисом.

Для снижения погрешности от колебаний напряжения устройства с магнитоупругим датчиком должны питаться от стабилизированных источников питания. Для компенсации температурной погрешности в одно плечо моста включается датчик, подвергающийся воздействию контролируемой силы, в другое ‑ компенсационный, имеющий точно такие же параметры, но не подвергающийся воздействию. Изменение их активного сопротивления не сказывается на работе всего измерительного канала.

Для уменьшения погрешности за счёт магнитоупругого гистерезиса выбирается материал с узкой петлей гистерезиса. Направленность магнитного поля должна приближаться к напряженности насыщения. Максимальная механическая нагрузка не должна превышать 1/6-1/7 предела прочности.

ИНДУКЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ (ИД)

Если изменяется потокосцепление, связанное с проводником катушкой, то в них возникает ЭДС. Это происходит при движении проводника в магнитном поле или магнитного поля, пересекающего неподвижный проводник. ЭДС индукции возникает. И тогда, когда потокосцепление изменяется в результате изменения магнитной проводимости. Эти явления лежат в основе работы индукционных датчиков.

ИД используются как датчики скорости. Если дифференцирующие и интегрирующие цепочки, то можно получить выходные величины, пропорциональные ускорению и перемещению.

Простейший ИД скорости линейного перемещения показана на рисунке 16.7.

Рисунок 16.7 - Индукционный датчик скорости линейного перемещения

Рисунок 16.8 - Импульсный индукционный датчик

Выходной сигнал снимается с обмотки, в которой наводится ЭДС


Где В - индукция, создаваемая в рабочем зазоре кольцевым постоянным магнитом, Тл;

длина витка перемещающееся измерительной обмотки, м;

Число витков;

V - Скорость перемещения измерительной обмотки, м/ с.

Чувствительность датчика может быть увеличена за счёт увеличения индукции и числа витков. Для получения сигнала пропорционального перемещению, сигнал с обмотки генерируется с помощью цепочки КС. При интегрировании с малой погрешностью постоянная времени T=RC берется достаточно большой и сигнал уменьшается в сотни раз.

Для контроля частоты вращения используется датчик в виде тахогенераторов и импульсных индукционных датчиков. Тахогенератор постоянного тока может представлять собой генератор малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. ЭДС на выходе такого генератора пропорциональна частоте его вращения n:


Для повышения линейности выходной характеристики сопротивление нагрузки должно быть возможно больше (уменьшается реакция якоря). Переходное сопротивление щеток вносит существенную погрешность.

Более надежны асинхронные тахогенераторы (рисунок 16 .9.)

Рисунок 16.9 - Асинхронный тахогенератор

Обмотка статора 1 питается от источника переменного тока частотой 400-500 Гц. Обмотка 2 неподвижна и сдвинута относительно обмотки 1 на 90°. Полый алюминиевый ротор 3 связан с валом, скорость которого контролируется.

При неподвижном роторе пульсирующий поток от обмотки 1 не вызывает ЭДС в выходной обмотке, т. к. оси обмоток сдвинуты на 90°. При вращении ротора 3 в нем возникают ЭДС и токи резания, пропорциональные частоте вращения. Эти токи создают поперечное магнитное поле, изменяющееся с частотой питания. Возникающая в обмотке 2 под действием магнитного поля ротора ЭДС имеет амплитуду, пропорциональную угловой скорости ротора:


Достоинством такого датчика является отсутствие щеток и неизменность частоты выходного сигнала.

Если обмотку 1 питать от сети постоянного тока, то обмотка 2 выдает ЭДС, пропорциональную угловому ускорению вала.

На рисунке 16.8 показан импульсный индукционный датчик. На вращающемся валу укреплен выступ 1 из магнитомягкой стали. При прохождении выступа мимо рабочего зазора магнитное сопротивление для потока постоянного магнита резко уменьшается.

При нарастании потока появляется первый импульс ЭДС в выходной обмотке 3. При спадании потока - второй. За один оборот появляется два импульса ЭДС. Число импульсов в единицу времени считывается измерительным устройством. Достоинство датчика – в точности, не зависящей от качества выполнения магнитной системы, старения постоянного магнита, расстояния между валом и магнитом и других факторов. Источником погрешности для первых двух типов датчиков является изменение сопротивления обмоток под действием температуры.

Специальными мерами погрешность можно уменьшить до 0,5 – 1,5%.