Комутаційні перенапруги - як домогтися надійної роботи електроустановок
Сторінка 16 з 21
6. ЕЛЕКТРИЧНА ІЗОЛЯЦІЯ
У будь-який електроустановки неминуче поєднання провідників і ізоляції. Без провідників неможливо передавати електроенергію, а без ізоляції її не можна ні направити по потрібним шляхах, ні відключити. В одних випадках ізоляцією служать гума, пряжа, пластмаса і взагалі будь-якої ізоляційний матеріал, в інших - шар повітря. Наприклад, частини разомкнутого контакту ізолює повітряний проміжок.
При робочій напрузі мережі ізоляція надійна і немає причин для її порушення. Але якщо напруга з якої-небудь причини підвищиться, то виникне перенапруження.
При перенапруженні може виникнути або пробою ізоляції, або її перекриття (докладніше див. Нижче).
Так, мають. Справа в тому, що сумарна довжина жив кабелів велика - десятки і сотні тисяч кілометрів і, крім того, до проводів приєднані сотні апаратів, тисячі затискачів, запобіжників та інших виробів. І якщо опір ізоляції кожного з них величезне, то еквівалентний опір ізоляції у багато разів менше.
Електрична ємність утворюється жилами кабелів, заземленими конструкціями, на яких кабелі укладені, і розділяє їх ізоляцією. Ємність кабельних мереж в пристроях управління, сигналізації, автоматики приблизно 0,2 0,3 мкФ / км. Сумарна ж ємність між жилами і "землею" становить десятки микрофарад. Це небезпечно як в електроустановках постійного струму, так і особливо в електроустановках змінного струму.
Ємнісні зв'язку між жилами протяжних кабелів можуть стати причиною утворення помилкових ланцюгів. Не вдаючись в деталі цього важливого питання, звернемося до вправи 46, яке досить чітко пояснює суть справи.
Вправа 46. На рис. 19, про дан приклад управління трьома реле АУ - КЗ кнопковими вимикачами S1-S3 відповідно. Відстань між реле і вимикачами велике - сотні метрів. Опір ізоляції між жилами кабелю і між кожною житлової та землею настільки велике, що їм можна знехтувати. Опір проводів приймемо близьким нулю (щоб не відволікатися від розглянутого питання), хоча насправді воно має суттєвий вплив на результати розрахунку, але ємнісні зв'язку значні. Ємність між жилами 1 і 3 умовно позначена як Cj_3, а між жилами 2 3 - як С2_3.
Освіта ємності між жилами кабелю ілюструє рис. 19, ст.
В даному випадку вимикач S3 замкнутий і струм, напрямок якого позначено червоними стрілками, проходить тільки через реле КЗ, як і задумано проектувальником. Вимикачі 57 і 52 розімкнені.
Відповісти на питання: 1. Що позначають зелені і сині стрілки? 2. За якої умови реле KJ (К2) помилково спрацює? 3. Чи може ток через реле К1 (АГ2) виявитися більшим, ніж струм через реле КЗЧ 4. Від яких параметрів залежить ймовірність помилкового спрацьовування? 5. Чи може якір спрацював реле (з будь-якої ланцюга) залипнути через ємнісних струмів? 6. Чи справедливий висновок з вищевикладеного, що при довгих кабельних лініях помилкові ланцюга неминучі?
Відповіді. 1. Зелені стрілки вказують напрямок струму, при якому можливо помилкове спрацьовування реле К2; сині стрілки - напрям струму, при якому можливо помилкове спрацьовування реле К1.
За умови, що струм через реле К1 (К2) буде дорівнює струму спрацьовування в нормальних умовах або більше нього.
Може, але для цього ємнісний опір має бути трохи більше індуктивного, так як в цьому випадку різниця х ^ - xg може виявитися за абсолютним значенням більше, ніж х ^ (докладніше див. Вправу 47).
Мал. 19. Через ємнісні зв'язки між жилами кабелю в електроустановках змінного струму можуть виникати помилкові ланцюга - до вправи 46. Послідовне з'єднання індуктивності реле і ємності кабелю створюють умови для виникнення резонансу напруг - до вправи 47
Від значень напруги, струму спрацьовування, питомої ємності кабелю, тобто ємності на кілометр довжини, довжини кабелю, активного і індуктивного опорів реле.
Може, і це найімовірніше, ніж помилкове спрацьовування. Справа в тому, що коефіцієнт повернення реле малий і, отже, якір спрацював реле утримується значно меншим струмом, ніж струм, необхідний для спрацювання.
Питання про передачу сигналів по довгих кабельних лініях зі значною ємністю вельми складний. Але це аж ніяк не означає, що помилкові ланцюга неминучі, тому що існує ряд прийомів, щоб уникнути помилкових ланцюгів. Один з них (далеко не єдиний) - живити схему не буде змінена, а постійним струмом від двох підлозі періоди ого випрямляча з добре згладженої пульсацією.
Що ж стосується даного прикладу і ілюструє його рис. 19, а, їх мета обмежена: дати уявлення про суть справи і підкреслити, наскільки важливим параметром є електрична ємність.
При збігу несприятливих обставин в електроустановках змінного струму може виникнути резонанс напруг.
Резонанс напруг - явище вкрай небезпечне. Суть справи полягає в тому, що рівні за абсолютним значенням індуктивний опір котушки і ємнісний опір кабелю при послідовному з'єднанні взаємно компенсуються. В результаті струм визначається тільки одним активним опором і, отже, зростає в кілька разів. Відповідно збільшується падіння напруги на індуктивності (попросту кажучи, між висновками котушки) і на ємності, тобто між жилою кабеля і "землею". Це перенапруження може в десятки разів перевищити номінальну напругу. Типовий приклад розглянуто у вправі 47.
Упражненіе47. На рис. 19, б показано включення реле До через контакт S. Харчування - змінним струмом через трансформатор Т. Контакт з котушкою з'єднаний через жилу кабелю 1. Її ємність по відношенню до "землі" позначається С. Освіта ємності між житловою і "землею" ілюструє рис. 19, е.
Розглядається випадок, коли контакт S розімкнений, але через пошкодження ізоляції в точці 2 утворилася помилкова ланцюг, показана червоною штриховий лінією. З цієї ланцюга реле спрацювало помилково.
Відповісти на питання: 1. Чому дорівнює струм / "в нормальному режимі, тобто якщо замкнутий контакт St 2. Який струм / л проходить через реле по помилкової ланцюга, якщо ізоляція пошкоджена, а контакт розімкнений? 3. При якому значенні ємності Ср настане резонанс напруг? 4. Яка напруга Up між жилою кабеля і "землею" буде в режимі резонансу напруг? Прийняти 1 ^ 0м = 100 В, г = 200 Ом, 1 = 10 Гн. 5. Яке становище з основ електротехніки ілюструє даний приклад?
Мал. 20. Навіть при одному замиканні на "землю" в електроустановках постійного струму можливо помилкове спрацьовування - до вправи 48. При порушенні ізоляції можливі помилкове спрацьовування, залипання, збільшення часу повернення, коротке замикання - до вправи 49
Це і підтверджує розглянутий приклад.
В електроустановках постійного струму при замиканні на "землю" відбувається перезаряд ємності кабелів, що може привести до помилкового спрацьовування. Цей складний і далеко не очевидне запитання розглянутий у вправі 48.
Вправа 48. На великих електростанціях і підстанціях кабельна мережа оперативного струму має значну ємністю. Розрахункова схема такої мережі представлена на рис. 20, а у вигляді еквівалентних ємностей З + і С_, включених послідовно між плюсом і мінусом джерела постійного струму. При першому включенні харчування при напрузі U через ємності С + і С проходить короткочасний зарядний струм «1. Після цього ємності виявляються зарядженими, причому якщо С + = С_, то на кожну з них припадає половина напруги, тобто U] 2.
З процесом самого заряд не пов'язані будь-які неприємні явища. Але якщо на ділянці між контактом і котушкою реле К (рис.20, б) трапиться замикання на "землю", то відбудеться наступне. Ємність С + виявиться включеної вже не на половину, а на повне напруга U і 94
почне заряджатися струмом через котушку реле К. Ємність С_, навпаки, виявиться закороченому котушкою реле К і буде на неї розряджатися струмом / 3. А так як напрямок розрядного струму завжди протилежно напрямку зарядного струму, то обидва струму в котушці реле спрямовані однаково. Тому вони можуть викликати помилкове спрацьовування.
Відповісти на питання: 1. Яке умова необхідно, щоб реле помилково спрацювало? 2. Як визначити, яка енергія W3n 1 достатня для спрацьовування реле в нормальних умовах, тобто коли його включає контакт S? 3. Чи може в результаті утворення помилкової ланцюга статися самовключення масляного вимикача?
Відповіді. 1. Щоб реле помилково спрацювало, необхідно, щоб кількість енергії W3Jl2, що проходить через ємності в котушку реле А ", дорівнювало або більше енергії І'ел. Необхідної для його спрацьовування. Розглянемо числовий приклад. Нехай напруга живлення V- 110 В, еквівалентні ємності С + = С_ = 10 мкФ і W3 "t = 0.05 Дж.
Значення H ^ j обчислюється за формулою, де
С - ємність; зміна напруги на ємності, що дорівнює в
даному випадку 55 В (ємність С + дозаряджати з 55 до 110 В, тобто на 55 В; ємність С_ розряджається з 55 В до 0, тобто теж на 55 В), а 10
Важливе зауваження. У вправах 46 - 49 дії ємності і активного опору розглядалися окремо. Фактично ж ємність і опір діють спільно. Але з цього зовсім не випливає, що їх шкідливі наслідки підсумовуються. У ряді випадків може бути навпаки: ослаблена ізоляція, виконуючи роль розрядного опору, знижує шкідливий вплив ємності.