Высоковольтные предохранители: Методические указания к лабораторному практикуму по ЭЧС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

В.И. КУВАЙЦЕВ

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

Рекомендовано к изданию Редакционно – издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2004

ББК УДК

24.2 я7 К 89 547(07)

Рецензент кандидат технических наук, доцент Нелюбов В.М.

К 89

Кувайцев В.И. Высоковольтные предохранители: Методические указания к лабораторному практикуму по ЭЧС Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. – 13 с.

Методическое указание включает теоретическое изложение материала, конструктивные особенности аппаратов и контрольные вопросы для студентов специальности 100100.

ББК 24.2 я7

 Кувайцев В.И.,2004  ГОУ ОГУ, 2004

2

1 Лабораторная работа №2. Высоковольтные предохранители 1.1 Цель работы Изучить конструкцию и область применения высоковольтных предохранителей. 1.2 Порядок выполнения работы 1.2.1 Изучить конструкцию предохранителей и область их применения. 1.2.2 Изучить конструкцию ограничителей ударного тока и область их применения. 1.2.3 Зарисовать конструкцию указанного преподавателем предохранителя. 1.2.4 Составить отчет по работе. 1.2.5 Ответить на вопросы преподавателя. 1.3 Основные положения Плавкий предохранитель представляет собой однополюсный коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от сверхтоков; действие его основано на плавлении током металлической вставки небольшого сечения и гашении образовавшейся дуги. Предохранители характеризуют номинальным напряжением, номинальным током, номинальным током отключения и защитными характеристиками. Следует различать номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток предохранителя (контактной системы и патрона). Последний равен номинальному току наибольшей из предназначенных к нему вставок. Для предохранителей переменного тока с номинальным напряжением от 3 до 220 кВ включительно установлены следующие значения номинальных токов: Номинальные токи предохранителей, А 8; 10; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400 Номинальные токи плавких вставок, А 2; 3,2; 5; 8; 10; 16; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400 Номинальные токи отключений, кА . .. 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16: 20; 25; 31,5; 40 Под номинальным током отключения следует понимать наибольшее допускаемое действующее значение периодической составляющей тока КЗ, отключаемого предохранителем при определенных условиях. Отечественные аппаратные заводы выпускают плавкие предохранители для напряжений до 220 кВ включительно.Защитные характеристики представляют собой зависимости времени плавления tпл или времени отключения цепи tот от соответствующих значений тока, неизменного во времени 3

(рисунок 1). Интервалы времени установлены в пределах от 0,01 с до 1 ч. Защитные характеристики предохранителей необходимы для координации их действия с действием других предохранителей и выключателей. Они могут быть получены только при испытании и сообщаются заводамиизготовителями по запросам. Как видно из рисунка, по мере увеличения номинального тока плавкой вставки характеристики смещаются вправо. Значение тока, при котором плавкая вставка предохранителя плавится в течение 1 ч, должно быть более 130% и менее 200% номинального тока вставки. Коммутационная способность предохранителей. Предохранитель должен отключать при наибольшем рабочем напряжении любой ток в пределах от тока, плавящего вставку в течение 1 ч, до номинального тока отключения независимо от момента начала КЗ, т. е. при любой асимметрии тока. При этом не должны иметь место разрушения патрона или повреждения частей предохранителя. Качество предохранителей определяется в решающей степени качеством его конструктивных элементов. Плавкий предохранитель (рису10 100 А 1000 I нок 2) состоит из следующих основных частей; изолирующего основания или Рисунок 1 металлического основания с изоляторами, контактной системы с зажимами для присоединения проводников, патрона с плавкой вставкой. Большинство предохранителей имеет указатели срабатывания той или иной конструкции. Заменяемый элемент (патрон) состоит из изоляционного корпуса, арми-

Рисунок 2

4

рованного с обеих сторон контактными колпаками, заполненного дугогасящим наполнителем, внутри которого находится плавкий элемент. В процессе работы корпуса патронов предохранителей испытывают воздействие высокого напряжения, высоких температур и значительных давлений. Как правило, для изготовления патронов высоковольтных предохранителей используют стекло, что с точки зрения перечисленных выше воздействий имеет худшие характеристики по сравнению с фарфоровыми патронами. Так, для стеклянных трубок, по сравнению с фарфоровыми, выдерживаемое испытательное давление почти в два раза меньше, а стойкость к температурам в два раза ниже, что приводит к существенному ухудшению их характеристик (номинальных и отключаемых токов и т.д.). Стекло обладает и нетехнологичностью с точки зрения заделки концевых колпаков, от герметичности которых зависит не только состояние наполнителя, но и отключающая способность. Наиболее надежным для обеспечения водонепроницаемости решением является изготовление патрона предохранителя с применением фарфоровой трубки, имеющей с двух сторон канавки, на которые завальцовываются колпаки с применением соответствующих герметиков. Применение же стекла привело почти к двойному снижению номинальных токов и токов отключения предохранителей со стеклянными трубками. Поэтому в зарубежной практике в качестве основного материала для корпусов патронов предохранителей применяется фарфор. В последнее время неплохо зарекомендовали себя трубки для предохранителей из кварцевого стекла. Трубки из прозрачного кварцевого стекла, изготовленные для ПКТ101, по большинству физико-химических показателей не уступают трубкам из фарфора, а по стойкости к термоударам превосходят их более чем в три раза. Однако кварцевое стекло несколько уступает фарфору по ударной прочности. Плавкие элементы. Наиболее подходящим материалом для изготовления плавкого элемента является серебро. Это обусловлено тем, что серебро имеет высокую и стабильную электрическую проводимость, хорошо работает в непрерывном режиме, при циклических нагрузках и перегрузках, на воздухе и в песчаном наполнителе и после окончания этих воздействий его электрическое сопротивление возвращается к исходному значению. Плавкие элементы из серебра имеют максимальный, по сравнению со всеми другими использующимися материалами, срок службы. Серебро обладает физическими свойствами, положительно влияющими на защитные характеристики предохранителей - низкие значения удельной теплоемкости, удельной теплоты плавления, удельного сопротивления, интеграла плавления и т.д. Серебро обладает хорошими технологическими свойствами: легко поддается точной штамповке, сварке и пайке, не требует при этом дополнительной обработки. При воздействии высоких температур серебро может окисляться, но окислы серебра неустойчивы, и при температуре выше 1800 С они восстанавливаются до чистого серебра. Поэтому, исходя из вышесказанного, все без исключения зарубежные фирмы применяют именно серебро, несмотря на то, что оно значительно дороже других материалов. 5

Другим, наиболее близким к серебру по физическим свойствам материалом, является медь. Однако медь интенсивно окисляется, а ее окись стабильна вплоть до температуры плавления меди. Благодаря стабильности пленка могла бы быть защитной, если бы не механические повреждения, возникающие при изменении температуры и препятствующие адгезии пленки к чистому металлу. Вследствие воздействия этих сил окисная пленка растрескивается и отслаивается, облегчая тем самым развитие коррозии. Для предотвращения этого разрушительного явления традиционно используется гальваническое серебрение. Однако и оно не позволяет надежно защитить плавкий элемент из меди от окисления. Удельное сопротивление алюминия несколько выше, чем у меди и серебра и его электрическое сопротивление стабильно при длительном протекании номинального тока, что обусловлено наличием тонкой окисной пленки, защищающей металл от дальнейшего окисления. Окисная пленка имеет хорошую адгезию с алюминием и не разрушается при нагреве вплоть до температуры плавления. Но именно она затрудняет процессы пайки и сварки алюминиевых плавких элементов. Проведенные исследования не подтвердили утверждения о том, что из-за окисной пленки ток КЗ плавким элементом из алюминия не прерывается и при достижении температуры кипения алюминия. Влияние окисной пленки на отключение тока КЗ не существенно. И только при токах перегрузки, близких к пограничному, наблюдается длительное протекание тока по жидкому алюминию. Применение цинка не нашло широкого применения из-за его существенного недостатка – относительно быстрого старения плавкого элемента как при эксплуатации, так и при хранении. Для цинка, как и для меди, для увеличения срока службы необходимо защитное покрытие, которое препятствовало бы интенсивному старению при длительном протекании тока в непрерывном и циклическом режимах. Поэтому использование в отечественной практике плавких элементов из серебра позволило бы не только улучшить характеристики предохранителей, но и повысить их качество. Однако высокие цены на серебро, необходимость ведения строгой отчетности по использованию драгметалла, наличие специальных разрешений и т.п. сдерживают его широкое применение. Плавкая вставка – часть предохранителя, с помощью которой происходит отключение цепи электрического тока, подлежащая замене после срабатывания предохранителя. Все разновидности плавких элементов можно разделить на две группы: постоянного по длине плавкого элемента поперечного сечения и переменного. Плавкие элементы постоянного сечения обычно изготовляют из проволоки, а переменного сечения из металлической фольги или тонкой металлической пленки. Отношение поперечного сечения широкой части плавкого элемента к поперечному сечению узкого перешейка определяет вид защитной характеристики. Плавкие вставки располагаются внутри патрона или в виде спиралей, расположенных параллельно друг другу, или наматываются на керамический звездообразный сердечник для более полного соприкосновения с кварцевым песком, используемым в качестве дугогасящей среды. Чтобы обеспечить надежное отключение предохранителем небольших по величине токов, 6

плавкая вставка выполняется из нескольких параллельно включенных проводников переменного сечения. Материалы для изготовления контактов. В России для изготовления колпаков к предохранителям, применяется латунь с покрытием «олововисмут», химическим пассивированием или никелированием. В зарубежной практике в качестве материала колпаков используется только медь с покрытием серебром. Применение меди для колпаков обусловлено лучшей ее теплопроводностью по сравнению с латунью, что ведет к снижению температуры как на колпаках, так и на корпусе предохранителя. Газогенерирующие плавкие предохранители (их называют также стреляющими предохранителями) предназначены для наружной установки в устройствах 35 и 110 кВ. На рисунке 3 показан патрон предохранителя типа ПВТ35 (предохранитель выхлопной для защиты силовых трансформаторов и линий напряжением 35 кВ). В корпус патрона 1 помещены трубки 2 и 3 из винипласта, соединенные между собой стальным патрубком 4, а также плавкая вставка 5, прикрепленная одним концом к токоведущему стержню 6, а вторым — к гибкому проводнику 7 с наконечником 8.

Рисунок 3 Патрон устанавливается на основании предохранителя (рисунок 4), состоящем из цоколя 1, двух опорных изоляторов 2 с головками — верхней 3 и нижней 4 с зажимами для крепления проводников. На нижней головке укреплен контактный нож 5, снабженный пружиной и сцепленный с наконечником патрона. При перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под действием пружины, тянет за собой гибкий проводник. Под действием дуги стенки винипластовых трубок выделяют газ, давление в патроне повышается и дуга гасится в потоке газа, вытекающего из патрона через нижнее отверстие, а также через клапан бокового отверстия патрубка. Срабатывание предохранителя сопровождается звуковым эффектом, похожим на ружейный выстрел. Гибкий проводник выбрасывается из патрона. Между контактным ножом и концом трубки образуется воздушный промежуток, обеспечивающий изоляцию в месте разрыва. Номинальный ток отключения предохранителя типа ПВТ-35 составляет 3,2 кА. Кварцевые предохранители изготовляют для напряжений 6, 10 и 35 кВ для внутренней и наружной установки. Они относятся к группе токоограничивающих предохранителей. Патрон предохра7

нителя типа ПКТ для напряжения 3-35 кВ (рисунок 5) представляет собой фарфоровую или стеклянную трубку 1, плотно закрытую металлическими колпачками 2. Внутри трубки помещена плавкая вставка 3 в виде одной или несколь-

Рисунок 4 Рисунок 5 ких параллельно включенных тонких медных проволок. В нижнем колпачке предусмотрен указатель срабатывания предохранителя 4. Патрон заполнен мелким кварцевым песком. Длина проволок и, следовательно, длина патрона определяются номинальным напряжением. Поскольку градиент восстанавливающейся электрической прочности промежутка в кварцевом песке относительно невелик, длина проволоки должна быть велика. Чтобы поместить ее в патроне, приходится навивать проволоку винтообразно. Для увеличения быстродействия применяют так называемый металлургический эффект. На тугоплавкие вставки из меди (температура плавления 1080 °С) напаиваются капельки олова или свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 200 и 327 °С). При расплавлении металла напайки он растворяет в себе медь, вследствие чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки. Свойства материала, наполняющего патрон токоограничивающего предохранителя, существенно влияет на работу последнего. Наполнитель должен удовлетворять следующим требованиям: а) отводить тепло от плавкой вставки в нормальном рабочем режиме; б) не выделять газа под действием высокой температуры дуги; в) обладать достаточной электрической прочностью после разрыва цепи. Как показал опыт, этим требованиям в наибольшей мере отвечает 8

кварцевый песок. Процесс отключения цепи токоограничивающим предохранителем при КЗ протекает следующим образом. При большом токе тонкая проволока плавится и испаряется в течение долей полупериода почти одновременно по всей длине. Зажигается дуга. Вследствие высокой температуры газа в канале дуги образуется местное давление (давление в патроне практически не повышается). Ионизованные частички металла выбрасываются в радиальном направлении в зазоры между песчинками кварца. Здесь они быстро охлаждаются и деионизуются. Сопротивление дуги увеличивается настолько быстро, что ток резко снижается, не достигнув своего максимального значения, а напряжение на дуговом промежутке повышается (рисунок 6). Как видно из осциллограммы, напряжение у зажимов предохранителя превышает напряжение сети вследствие появления ЭДС самоиндукции, направленной согласно с напряжением сети. Коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении цепи плавкими предохранителями, не должны превышать следующих значений: Номинальное напряжение, кВ 3 6 10 20 35 Наибольшее допустимое пеРисунок 6 - Осциллограммы тока и наренапряжение по отношению к земле, пряжения при отключении предохраникВ . . . 16 26 40 82 126 телем ПКТ тока 20кА при напряжении 6 Для ограничения кВ. перенапряжений принимают различные меры: применяют вставки ступенчатого сечения по длине, что затягивает процесс их плавления и удлинения дуги; параллельно основным рабочим вставкам включают вспомогательные вставки с искровым промежутком. В последнем случае при расплавлении рабочих вставок и резком повышении напряжения пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также сгорает. Максимальное напряжение при этом уменьшается. Кварцевые предохранители для защиты измерительных трансформаторов напряжения типа ПКН имеют неограниченную отключающую способность и могут быть установлены в РУ 6, 10, 35 кВ станций, подстанций большой мощности. Они отличаются от обычных кварцевых предохранителей типа ПК материалом плавкой вставки, изготовляемой из константановой проволоки с четырехступенчатым сечением. При КЗ плавление проволоки происходит ступенями. При этом сопротивление четвертой ступени (относительно большого сечения) служит в основном для ограничения тока КЗ до значений, соответствующих номинальному току отключения предохранителей типа ПК. Преимуществами плавких предохранителей являются: простота устройства и, следовательно, низкая стоимость; исключительно быстрое отключение цепи при КЗ; способность предохранителей некоторых типов ограничивать ток КЗ. 9

Их недостатки: характеристики предохранителей таковы, что они не могут быть использованы для защиты цепей при перегрузках; селективность отключения участков цепи при защите ее предохранителями может быть обеспечена только в радиальных сетях; отключение цепей плавкими предохранителями связано обычно с перенапряжениями; возможны однополюсные отключения и последующий неполнофазный режим работы участков системы. Поэтому в электроустановках свыше 1 кВ предохранители имеют ограниченное применение; их используют в основном для защиты силовых трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и статических конденсаторов. Ограничители ударного тока Ограничители ударного тока (ОУТ) – это сверхбыстродействующие коммутационные аппараты взрывного действия на большие номинальные токи для установок 6-35 кВ. ОУТ имеет коммутационное устройство с проводником, рассчитанным на длительное протекание номинального тока (1000-4500) А. В токоведущий проводник встроен пиропатрон с капсюлем-детонатором. При возникновении К.З. электронное устройство (блок управления БУ) реагирует на скорость изменения тока di/dt, затем разрядное устройство через разделительный трансформатор ИТ воздействует на капсюль-детонатор, происходит взрыв пиропатрона и основная цепь оказывается разомкнутой за 0,1 мс. После этого ток проходит по вспомогательной цепи через предохранитель, который обеспечивает окончательный разрыв цепи. Полное время работы ОУТ не превышает 5 мс (1/4 периода). Таким образом, здесь также применятся тот же токоограничивающий эффект, как и в предохранителях. Но в отличие от предохранителей ОУТ устанавливается в цепях высокого напряжения с большими номинальными токами. После срабатывания ОУТ необходима замена токоведущего проводника и предохранителя (рисунок 7). Iкз

ОУТ ИТ БУ

Рисунок 7

10

1.4 Контрольные вопросы 1.4.1 Назначение предохранителей и область их применения. 1.4.2 Из каких конструктивных элементов состоят предохранители и какие материалы применяются для их изготовления. 1.4.3 Назовите марки предохранителей и расскажите принцип их работы. 1.4.4 Что применяется для увеличения быстродействия предохранителей. 1.4.5 Как происходит гашение дуги. 1.4.6 Назовите номинальные параметры предохранителей. 1.4.7 Как выбираются предохранители. 1.4.8 Конструктивные особенности и область применения ограничителей ударного тока.

Список использованных источников 1 Электрическая часть станций и подстанций: Учеб. для вузов/ А.А. Васильев, И.П. Крючков, Е.Ф. Наяшкова и др.; Под. ред. А.А. Васильева.- М.: Энергоатомиздат,1990.- 578с.

11

2 ЦеразовА.Л., Старшинов В.А., Васильева А.П. Электрическая часть тепловых электростанций: Учеб. для вузов/ Под. ред. В.А. Старшинова.- М.: Издательство МЭИ, 1995.- 368с. 3 Алексеева И. Разработка и производство современных высоковольтных предохранителей // Новости электротехники.- 2000.-№6. – С.6. 4 Алексеева И. Разработка и производство современных высоковольтных предохранителей // Новости электротехники.- 2001.-№1. – С.7.

12