ТЕХНИЧЕСКИЙ КЕЙС ДИАГНОСТИКА РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВЫБОР ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКИЙ КЕЙС
ДИАГНОСТИКА РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ВЫБОР
ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Службой энергоконтроля горного предприятия были зафиксированы несколько случаев
скачков напряжения в электросети. На предприятии установлено два параллельно
работающих трансформатора, для обеспечения надежности электроснабжения.
В результате анализа работы оборудования были выявлены следующие проблемы:
1. Не удалось полностью нагрузить трансформатор до номинальной мощности в
период
увеличения
электропотребления
основного
технологического
оборудования, обусловленного ростом объемов добычи. Последствия –
ограничения в работе оборудования.
2. Дополнительные потери электроэнергии в сети.
3. Повышенный нагрев обмоток одного из трансформаторов.
4. Частые случаи срабатывания выключателей одного из трансформаторов.
На основании данных проведенного анализа было принято решение о проведении
обязательной диагностики работы трансформаторов, во избежание серьезных нарушений
их работы.
Вопрос надежного, безаварийного электроснабжения всегда был актуален на
угледобывающих предприятиях, так как основным приводом горных машин является
электропривод. В современных условиях, когда на угольных шахтах стали применять
высокопроизводительные угледобывающие комплексы, требования к надежности их
электроснабжения еще более возросли. С ростом объемов добычи, увеличивается нагрузка
на очистной забой. В некоторых случаях количество забоев сокращается, а интенсивность
отработки на определенных участках увеличивается. В этих условиях остановка из-за
аварии в электроснабжении добычной смены даже на несколько часов приводит к
значительной потере объемов добычи, а, следовательно, и к финансовым потерям
предприятия.
Стабильная работа добычного и проходческого участка во многом определяется надежной
работой трансформаторных подстанций.
Трансформаторная подстанция представляет собой такой вид электроустановки, который
необходим для получения напряжения, а также для повышения или же его понижения в
сети переменного тока. Данная подстанция позволяет необходимым образом распределять
электроснабжения различных объектов, в том числе горных предприятий.
Передача и распределение электрической энергии от источника питания до
токоприемников осуществляются по проводникам. Проводниками являются голые и
изолированные провода, кабели, шины, а также обмотки и токоведущие части аппаратов и
элементов электрооборудования различного вида и назначения.
Выключатель высокого напряжения служит для оперативного включения и отключения
линии, а также для автоматического отключения при перегрузке или коротком замыкании
в ней, разъединитель — для включения и отключения цепей при отсутствии тока,
трансформаторы тока и напряжения — для присоединения к ним измерительных
приборов и приборов защиты, предохранители — для защиты цепей от действия токов
короткого замыкания, реакторы — для ограничения токов короткого замыкания и
поддержания уровня напряжения на шинах ЭС или ПС при коротком замыкании за
реактором, силовой трансформатор — для понижения величины напряжения
электроэнергии, которая подводится к цеховому оборудованию.
1
Наиболее дорогими и ответственными электрическими аппаратами на промышленном
предприятии являются силовые трансформаторы.
Трансформаторы бывают понижающие и повышающие, двухобмоточные и
трехобмоточные, однофазные и трехфазные. Из трех однофазных двух- или
трехобмоточных трансформаторов составляется одна трехфазная группа.
Основными паспортными данными силовых трансформаторов являются номинальные
мощность, напряжение и токи обмоток высшего и низшего напряжений, а также
напряжение короткого замыкания и группа соединений.
При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и магнитопровода за счет потерь
энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией,
срок службы которой зависит от температуры нагрева.
Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем
естественной конвекции воздуха и частично лучеиспускания в воздухе. Такие
трансформаторы получили название «сухих». Условно принято обозначать естественное
воздушное охлаждение при открытом исполнении С; при защищенном исполнении СЗ,
при герметизированном исполнении СГ, с принудительной циркуляцией воздуха СД.
Для нормальной эксплуатации токоприемников необходимо поддерживать на их зажимах
напряжение, близкое к номинальному. Однако в силу наличия потерь напряжения в
каждой сети напряжение на отдельных участках сети не может быть равным
номинальному, в следствие чего оно может регулироваться.
Регулирование напряжения под нагрузкой осуществляется с помощью переключателей.
В большинстве случаев на подстанциях промышленного предприятия устанавливается не
один, а несколько трансформаторов, которые какую-то часть времени работают
параллельно.
ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Выключатели высокого напряжения – это коммутационные аппараты, применяющиеся в
системах электроснабжения промышленных предприятий для отключения и включения
цепи в любых режимах: длительная нагрузка, перегрузка, короткое замыкание, холостой
ход, несинхронная работа, а также автоматического отключения при повреждении.
Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов КЗ и включение
на существующее короткое замыкание.
По конструктивным особенностям и способу гашения дуги различают следующие типы
выключателей: масляные баковые (масляные многообъемные), маломасляные (масляные
малообъемные), воздушные, элегазовые, электромагнитные, автогазовые, вакуумные
выключатели. К особой группе относятся выключатели нагрузки для внутренней,
наружной установки и для комплектных распределительных устройств.
Масляной баковый (масляной многообъемный) выключатель состоит из металлического
бака с крышкой (бак выключателя заливается маслом). На крышке смонтированы
проходные изоляторы, через металлические стержни которых подводится ток к
неподвижным контактам.
Разрыв электрической цепи осуществляется путем перемещения траверсы вниз. Вместе с
траверсой подвижные контакты отходят от неподвижных, образуя, таким образом, два
разрыва цепи на фазу. Масляные выключатели конструируются таким образом, что либо
все три фазы помещаются в одном баке, либо для каждой фазы предусматривается
отдельный бак.
2
В многообъемных масляных выключателях масло используется для гашения дуги и, кроме
того, является изоляцией, отделяющей токоведущие части фаз выключателя друг от друга
и от заземленного бака. При расхождении подвижных и неподвижных контактов
масляного выключателя между ними образуется электрическая дуга, которая, разлагая
масло, создает вокруг себя газовую среду, состоящую из паров масла и продуктов его
разложения, содержащих до 70% водорода. В этой среде и происходит гашение дуги.
Водород является газом, который активно способствует гашению дуги.
Маломасляные выключатели (масляные малообъемные, горшковые) получили широкое
распространение в закрытых (ЗРУ) и открытых (ОРУ) распределительных устройствах
всех напряжений. В таких выключателях масло используется только для гашения дуги.
Токоведущие части малообъемных выключателей типа ВМГ в отличие от многообъемных
отделены от заземленных частей специальными изоляторами, укрепленными на раме.
Каждая фаза выключателя собирается в отдельном баке. При включенном выключателе
подвижной и неподвижный контакты находятся в соприкосновении.
Гашению электрической дуги, возникающей при разрыве контактов, способствует дутье
газов, выделяющихся в масле под действием высокой температуры дуги.
Рисунок 1. Конструктивная схема маломасляного выключателя
На конструктивной схеме маломасляного выключателя:
1-подвижный контакт; 2 - дугогасительная камера; 3 - неподвижный контакт;4 - рабочие
контакты.
Область применения маломасляных выключателей — закрытые распределительные
устройства электростанций и подстанций 6, 10, 20, 35 и 110 кВ, комплектные
распределительные устройства 6, 10 и 35 кВ и открытые распределительные устройства
35, 110 и 220 кВ.
В воздушных выключателях гашение дуги происходит сжатым воздухом, а изоляция
токоведущих частей и дугогасительного устройства осуществляется фарфором или
другими
твердыми
изолирующими
материалами.
3
Рисунок 2. Конструктивная схема воздушного выключателя
Конструктивные схемы воздушных выключателей различны и зависят от их
номинального напряжения, способа создания изоляционного промежутка между
контактами в отключенном положении, способа подачи сжатого воздуха в
дугогасительные устройства.
Основная часть тока во включенном положении выключателя проходит по главным
контактам 4, расположенным открыто. При отключении выключателя главные контакты
размыкаются первыми, после чего весь ток проходит по дугогасительным контактам,
заключенным в камере 2. К моменту размыкания этих контактов в камеру подается
сжатый воздух из резервуара 1, создается мощное дутье, гасящее дугу. Необходимый
изоляционный промежуток между контактами в отключенном положении создается в
дугогасительной камере путем разведения контактов на достаточное расстояние или
специальным отделителем 5, расположенным открыто. После отключения отделителя
прекращается подача сжатого воздуха в камеры и дугогасительные контакты замыкаются.
Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют ни масла, ни сжатого
воздуха, что является большим их преимуществом перед другими типами выключателей.
Выключатели этого типа выпускают на напряжение 6 - 10 кВ, номинальный ток до 3600 А
и ток отключения до 40 кА.
Вакуумный выключатель. Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз
больше, чем воздушного промежутка при атмосферном давлении. Это свойство
используется в вакуумных дугогасительных камерах КДВ. Рабочие контакты имеют вид
полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма контактов при
размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, действующее на
возникающую дугу и заставляющее перемещаться ей через зазоры на дугогасительные
контакты.
В установках на 110 кВ используют вакуумный выключатель ВВК-110Б-20/1СЮОУ1. В
каждом полюсе в фарфоровой покрышке включены четыре последовательно включенные
дугогасительные камеры.
В автогазовых выключателях для гашения дуги используется газ, выделяющийся из
твердого газогенерирующего материала дугогасительной камеры. В системах
электроснабжения городов и промышленных предприятий достаточно широко
распространены выключатели нагрузки ВН-16; ВН-17 на 6 - 10 кВ с простейшей
дугогасительной камерой, имеющей вкладыши из органического стекла. Однако эти
выключатели не могут включаться на ток КЗ, равный току динамической стойкости, и
допускают сравнительно малое количество отключений номинального тока.
4
Элегазовые выключатели. Элегаз SF6 обладает высокими дугогасящими свойствами,
которые используются в различных аппаратах высокого напряжения. Выключатели
нагрузки элегазовые во многом напоминают конструкцию отделителей. Однако для
успешного отключения тока в них предусматриваются устройства для вращения дуги в
элегазе. В подвижный и неподвижный контакты встроены постоянные магниты из
феррита, которые создают магнитные поля, направленные встречно. При размыкании
контактов образуется дуга, ток которой взаимодействует с радиальным магнитным полем,
в результате чего создается сила F, перемещающая дугу по кольцевым электродам.
Вращение дуги в элегазе способствует быстрому гашению. Чем больше отключаемый ток,
тем больше скорость перемещения дуги, это защищает контакты от обгорания.
Контактная система описанной конструкции помещается внутри фарфорового корпуса,
заполненного элегазом и герметически закрытого.
При отключении привод перемещает подвижную систему вниз, при этом элегаз
сжимается в объеме между неподвижным поршнем и соплом. Как только контакты
размыкаются, создается дутье через трубчатые контакты, а при дальнейшем ходе
подвижной системы, когда трубчатые контакты выходят из сопла, создается сильный
поток элегаза, который гасит дугу. Образующееся при гашении дуги небольшое
количество продуктов разложения элегаза поглощается специальными фильтрами.
Синхронизированным называется выключатель, контакты которого размыкаются в строго
определенный момент времени с опережением момента перехода отключаемого тока
через нуль. Гашение дуги в этом случае значительно облегчается, так как количество
энергии, выделяющейся в дуге, намного уменьшается.
В синхронизированном выключателе необходимо очень точно подать импульс на
размыкание контактов, за (1 – 2) мс до перехода тока через нуль и создать очень большую
скорость движения контактов, чтобы к моменту нулевого значения тока и погасания дуги
расстояние между контактами было достаточным для обеспечения необходимой
электрической прочности промежутка и исключения возможности повторного зажигания
дуги. Полное время отключения синхронизированного выключателя не превышает одного
периода. Точность подачи импульса на отключение решается синхронизирующим
устройством, а большая скорость движения контактов - специальным приводом.
Синхронизирующие устройства могут работать на различных принципах, но все они
достаточно сложны и требуют точнейших полупроводниковых приборов со стабильными
характеристиками и другой новой техники.
Приводы выключателей служат для ручного и дистанционного включения и отключения
выключателей высокого напряжения. По конструктивному исполнению приводы делятся
на три основные группы:
1) ручные с автоматическим отключением;
2) электромагнитные;
3) пневматические.
Разъединители (рубильники). Для снятия напряжения с отдельных элементов установки и
создания видимого разрыва электрической цепи служат разъединители. Снятие
напряжения разъединителями с участков силовой электрической цепи высокого
напряжения может быть осуществлено только при отсутствии тока. Исключением
являются цепи силовых трансформаторов, если последние не превышают определенной
величины номинальной мощности. Эти цепи могут быть включены и отключены
разъединителями наружной установки при холостом ходе трансформаторов и напряжении
не выше 1,05 UH.
5
Рисунок 3. Конструктивная схема трехполюсного рубильника
Трехполюсный рубильник:
а — трехфазный в открытом исполнении; б— в закрытом кожухе; в —
управляемый механическим приводом; 1 — ножи; 2 —трубки; 3 —рукоятка; 4 — кожух;
5—тяга
Вследствие того что разъединители не предназначены для разрыва цепей, по которым
проходит рабочий или аварийный ток, они не имеют приспособлений для гашения дуги и
конструкция их более проста, чем конструкция выключателей.
Существует ряд конструктивных типов разъединителей. Габариты их зависят от величины
тока и напряжения, на которые они предусматриваются. Общим для всех разъединителей
является то, что они не предназначены для разрыва рабочих и, тем более, аварийных токов
в электрических цепях.
Выключатели нагрузки. Кроме обычных разъединителей в настоящее время применяются
так называемые выключатели нагрузки, предназначенные для разрыва токовой цепи при
нормальных рабочих условиях. Выключатель нагрузки имеет приспособлений для
гашения дуги, возникающей при отключениях рабочего тока не выше номинального.
Выключатель нагрузки в отключенном состоянии создает видимое место разрыва в
токовой цепи, как и разъединитель нормальной конструкции.
ЗАДАНИЕ
1. Определить и обосновать риски работы оборудования, которые могут произойти в
случае не устранения выявленных проблем.
2. Выявить и определить возможные причины нарушений работы трансформаторов.
Предложить мероприятия, позволяющие избежать возникновения повторных
проблем работы трансформаторов.
3. На основании предложенных причин последовательный план проведения
ремонтных работ, обеспечивающих устранение проблем в электроснабжении и
работе трансформаторов.
4. Предложить и обосновать тип выключателя высокого напряжения, наиболее
подходящего для применения на горном предприятии.
6