Наладка устройств электроснабжения напряжением выше 1000 В


Дубинский Г.Н., Левин Л.Г.





                Наладка устройств электроснабжения выше 1000 В





Издание 2-е, переработанное и дополненное











Москва СОЛОН-Пресс 2020

УДК 621.399
ББК 32.882
  Д 93


  Дубинский Г. Н., Левин Л. Г.
     Наладка устройств электроснабжения выше 1000 В. Издание 2-е, переработанное и дополненное. — М.: СОЛОН-Пресс, 2020. — 538 с.: ил.

  ISBN 978-5-91359-140-1

     В книге изложены методы наладки высоковольтных систем электроснабжения широкого диапазона применения. Рассматриваются вопросы электрических измерений, испытательного оборудования и собственно типовые методики испытаний в соответствии с ПУЭ.
     Книга написана на уровне доступном для специалистов среднего звена: техников-электриков и электромонтеров предприятий промышленного, сельскохозяйственного и культурного назначения, жилищно-коммунального хозяйства. Может быть использована для учащихся средних специальных учебных заведений, курсов повышения квалификации.



Сайт журнала «Ремонт & Сервис»: www.remserv.ru
Сайт издательства «СОЛОН-ПРЕСС»: www.solon-press.ru



КНИГА — ПОЧТОЙ

           Книги издательства «СОЛОН-ПРЕСС» можно заказать наложенным платежом (оплата при получении) по фиксированной цене. Заказ оформляется одним из трех способов:
           1.  Послать открытку или письмо по адресу: 123001, Москва, а/я 82.
           2.   Оформить заказ можно на сайте www.solon-press.ru в разделе «Книга — почтой».
           3.  Заказать по тел.: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65.
           Каталог издательства высылается по почте бесплатно.
           При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя. Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.
           Через Интернет вы можете в любое время получить свежий каталог издательства «СОЛОН        ПРЕСС», считав его с адреса www.solon-press.ru/kat.doc.
           Интернет-магазин размещен на сайте www.solon-press.ru.



По вопросам приобретения обращаться: ООО «СОЛОН-Пресс»
Тел: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru


ISBN 978-5-91359-140-1

                                                © Дубинский Г. Н., Левин Л. Г., 2020
                       © Обложка, «СОЛОН-Пресс», 2020

            Содержание







Предисловие ко 2-му изданию--------------------------------------------5
Глава 1. Электрические измерения----------------------------------------6
  1.1. Метрология. Погрешности измерений.                               6
  1.5. Организация измерений.                                          63
Глава 2. Общие испытания и проверка электрооборудования подстанций-----66
  2.1. Регулирование электрических величин.                            66
  2.2. Фазировка.                                                      77
  2.3. Построение векторных диаграмм.                                  81
  2.4. Испытание электрической изоляции.                               88
  2.5. Проверка заземления.                                           111
Глава 3. Силовые трансформаторы---------------------------------------145
  3.1. Общие сведения.                                                145
  3.2. Измерение характеристик и испытание электрической изоляции.    147
  3.3. Проверка обмоток трансформатора.                               151
  3.4. Измерение тока и потерь холостого хода (XX).                   157
  3.5. Опыт короткого замыкания трансформатора.                       160
  3.6. Измерение сопротивления нулевой последовательности.            162
  3.7. Проверка работы переключающего устройства (РПН).               162
  3.8. Включение трансформатора на параллельную работу.               166
  3.9. Испытание включением толчком на номинальное напряжение         168
  3.10. Включение трансформаторов в эксплуатацию.                      168
  3.11. Цифровые устройства для испытания трансформаторов.             169
Глава 4. Распределительные устройства.--------------------------------171
  4.1. Основные элементы распределительных устройств.                 171
  4.2. Подготовительные работы.                                       173
  4.3. Масляные выключатели.                                          174
  4.4. Воздушные выключатели (ВВ).                                    188
  4.5. Электромагнитные, элегазовые и вакуумные выключатели.          194
  4.6. Выключатели нагрузки, разъединители, отделители
и короткозамыкатели.                                                  199
  4.7. Разъединители, отделители и короткозамыкатели.                 200
  4.8. Электронные и контактно - электронные коммутационные аппараты.  201
  4.9. Реакторы.                                                      204
  4.10. Разрядники и ограничители перенапряжений.                     206
  4.11. Измерительные трансформаторы напряжения (электромагнитные).   210
  4.12. Измерительные трансформаторы тока.                            217
  4.13. Изоляторы.                                                    231
  4.14. Шины и токопроводы.                                           235

3

  4.15. Конденсаторы.                                                     237
  4.16. Комплектные распределительные устройства внутренней
и наружной установки.                                                     240
Глава 5. Линии электропередач.--------------------------------------------247
  5.1. Проверка воздушных линий электропередач (ВЛ).                      247
  5.2. Измерение характеристик и испытания силовых кабельных линий (КЛ). 249
  5.3. Определение мест повреждения линий.                                259
  5.4. Методы определения МП.                                             273
  5.5. Низкочастотные методы ОМИ.                                         285
  5.6. Особенности ОМП на воздушных линиях.                               300
Глава 6. Защита от повреждений и ненормальных режимов---------------------309
  6.1. Основные понятия.                                                  309
  6.2. Виды повреждений и ненормальных режимов.                           311
  6.3. Виды защит                                                         320
  6.4. Защита отдельных видов электрооборудования                         345
Глава 7. Органы релейной защиты и автоматики (РЗиА) и их элементная база.-389
  7.1. Электромеханические реле.                                          389
  7.2. Реле дифференциальных, направленных и фильтровых защит.            405
  7.3. Бесконтактные элементы релейной защиты и автоматики.               418
Глава 8. Наладка устройств релейной защиты и автоматики-------------------456
  8.1. Проверка элементов РЗиА                                            456
  8.2. Комплексная проверка РЗиА.                                         496
  8.3. Контроль качества электрической энергии                            519
Литература----------------------------------------------------------------535
Список основных сокращений------------------------------------------------537

4

Предисловие ко 2-му изданию





   Цель настоящего издания, как и первого, - способствовать проведению наладочных работ с высоким качеством, наиболее рациональными методами. Выполнение этого условия является первым шагом на пути к обеспечению надежной и безаварийной работы смонтированной электроустановки, за которым должна следовать ее правильная эксплуатация. Нарушение этих требований чревато подчас тяжелыми последствиями. Так, например, авария на Чагинской подстанции «Мосэнерго» в мае 2005 года вызвала каскадное отключение электроснабжения на территории Москвы, Московской, Калужской и Тульской областей, нарушившее нормальное функционирование предприятий и транспорта на два дня. При этом в числе причин многих аварий часто называют «человеческий фактор»: слабую подготовку, недостаточную квалификацию персонала, подчас и безответственность.
   По сравнению с первым изданием книга подверглась значительной переработке. Изменена ее компоновка: она начинается изложением общих вопросов злектроизме-рений и испытаний электрооборудования (главы 1 и 2). Здесь материал первого издания дополнен сведениями об осциллографах, снятии векторных диаграмм, фази-ровке, проверке заземления. Далее описывается методика приемо-сдаточных испытаний силовых трансформаторов и высоковольтного оборудования распределительных устройств; здесь сокращен объем, касающийся воздушных выключателей, которые с успехом заменяются элегазовыми и вакуумными (главы 3 и 4). Материал этих глав дополнен краткими сведениями о возможностях цифровой диагностики. Введена новая глава 5, посвященная линиям электропередач, в основном кабельным, - их испытаниям и отысканию мест повреждения. В главах 6 и 7 описываются основные типы релейных защит и их элементов, в главе 8 - приемы наладки и комплексной проверки релейной защиты, а также качества электрической энергии. Уделено значительно большее внимание защитам на базе микропроцессоров.

5

            Глава 1.
            Электрические измерения


        1.1. Метрология. Погрешности измерений.

  1.1.1. Основные понятия и определения.
  Измерение значений физических величин производят с помощью средств измерения (СИ). Измерения с помощью электрических приборов называют электрическими измерениями. При прямом измерении значение измеряемой величины получают непосредственно из опыта, пример - измерение электрического напряжения вольтметром. При косвенном измерении искомое значение находят расчётным путём на основании известной зависимости между измеряемой величиной и другими величинами, которые можно измерить непосредственно; пример - расчёт сопротивления резистора на основании закона Ома по значениям тока через резистор и падения напряжения на нём, измеренным посредством амперметра и вольтметра.
  Результат измерения всегда отличается от истинного значения измеряемой величины из-за погрешности измерений. Абсолютная погрешность ЛА равна разности между измеренным Аиз и действительным Ад значениями измеряемой величины А:

ЛА = Аиз — Ад..

  Под действительным значением измеряемой величины понимают то значение её, которое найдено экспериментальным путём с помощью образцовых приборов и для данной цели может быть принято за истинное.
  Относительной погрешностью измерения называют отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

8 А = ЛА/Ад.

  Приведённой относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к разности между верхним и нижним пределами измерительного прибора, а если нижний предел равен нулю, то — к верхнему пределу измерения в данном диапазоне ав (для двусторонней шкалы — к сумме верхних пределов):

8пр = ЛА/ав.

  Предельное значение приведённой относительной погрешности, выраженное в процентах, указывает класс точности приборов, погрешность которых не зависит от значения измеряемой величины; к ним относится большинство стрелочных показывающих и самопишущих приборов. Предельная относительная погрешность приборов, зависящая от измеряемой величины, определяется формулой
8т = с + d (xK/x — 1),


6

  а класс прибора - отношением c/d, где c и d - постоянные числа, хк - конечное значение диапазона измерений, х - значение измеренной величины. Пример: 8ₘ = 0,05 + 0,02(UK/U - 1), класс точности 0,05/0,02 (вольтметр) или
8ₘ = 0,02 + 0,01(IK/I - 1), класс точности 0,02/0,01 (амперметр).
  Стандартизированы классы 0,05...4,0, но выпускаются и приборы с нормированной погрешностью (10.15)%.
  Погрешность при косвенных измерениях зависит от того, какими соотношениями связана искомая величина с непосредственно измеряемыми величинами, и от погрешностей измерения этих величин. Если результат косвенных измерений величины А равен сумме или разности двух или нескольких величин, например А = В ± С, то наибольшая возможная относительная погрешность будет:





„ ЛА ₌ AB + А С а А       В ± С ’

  где АВ и АС - наибольшие возможные погрешности измерения величин В и С, а знак «+» или «-» выбирается в зависимости от того, складываются или вычитаются эти величины в формуле А = В ± С.
  Если искомая величина вычисляется как произведение нескольких величин, например

А = BmCⁿ,

  то наибольшая возможная относительная погрешность находится по формуле

8а = m8B + n8c,

  где 8В и 8С - относительные погрешности непосредственного измерения величин В и С.
  Когда погрешности отдельных непосредственных измерений имеют разные знаки, то для учёта самого неблагоприятного случая эти погрешности суммируют с одинаковыми знаками.
  Различают систематические и случайные погрешности измерений. При повторных измерениях одной и той же величины систематическая погрешность остаётся неизменной или изменяется закономерно, а случайная изменяется произвольным образом. Постоянная систематическая погрешность может возникать, например, при пользовании СИ, параметры которых отличны от номинальных, переменная - вследствие закономерного изменения напряжения источника питания, в частности, из-за разряда аккумулятора. Эпизодические причины либо неизвестны, либо проявление их носит случайный характер (например, наводки от электромагнитных полей). Снижение случайных погрешностей достигается либо уменьшением их влияния (например, экранировкой измерительных цепей), либо повторением измерений.
  1.1.2. Типичные составляющие погрешности измерений.
  Методические погрешности измерений (погрешности метода) и их причины.


7

  а)    Несоответствие выбранного прибора или метода измерения реальным характеристикам измеряемой величины. Пример: измеряется амплитудное значение Um напряжения переменного тока вольтметром, реагирующим на действующее значение напряжения U. Предполагая, что измеряемое напряжение имеет синусоидальную форму, вычисляют амплитудное значение как Um = ^2U. Возникающая при этом систематическая ошибка будет тем большей, чем больше степень отклонения реальной кривой напряжения от синусоиды.
  б)    Выход значений контролируемого параметра за пределы принятого диапазона. Пример: измеряется ток нагрузки линии с помощью трансформатора тока. Известно, что при большой кратности тока погрешность измерения может превысить допустимые пределы.
  в)    Отклонение за допустимые пределы разницы между значениями измеряемого параметра на входе прибора и в точке отбора. Пример - измерение напряжения на нагрузке: погрешность зависит от падения напряжения на соединительных проводах, а значит, и от расстояния до вольтметра.
  г)   Отличие принятого алгоритма вычислений от более строгой функциональной зависимости, связывающей искомую величину с результатами прямых измерений. Например, изменение активного сопротивления с температурой обычно выражают следующим алгоритмом:

R2 = R1[ 1 + a(T2 -T1)],

  где R1 - сопротивление, измеренное при температуре T1; R2 - сопротивление, измеренное при температуре '1'2; a - температурный коэффициент сопротивления.
  В то же время для прецизионных измерений применяют более точную трёхчленную формулу академика Б. С. Якоби:

R2 = R1[1 + a(T2 - T1) +P(T2 - T1)²],

  где р - второй температурный коэффициент.
     Инструментальные погрешности.
  а)   Погрешности, вызываемые медленно меняющимися внешними причинами, как то: погодные параметры, напряженность электрических и магнитных полей, напряжение источников питания и пр.
  б)    Погрешности, обусловленные ограниченной разрешающей способностью СИ. Пример: измерение параметра, значение которого соизмеримо с ценой деления шкалы прибора.
  в)    Динамические погрешности, обусловленные инерционностью прибора. Зависят как от свойств самого прибора, так и от характера изменения во времени измеряемой величины. Пример: измерение параметров быстропеременных процессов с помощью самописца.
  г)   Погрешности, вызываемые взаимодействием данного СИ с объектом измерения и другими приборами. Пример: измерение напряжения источника малой мощности вольтметром с невысоким внутренним сопротивлением.


8

  д)    Погрешности передачи измерительной информации. Примеры: падение напряжения в соединительных проводах, «размытое» изображение на экране осциллографа.
      Погрешности, вносимые оператором (субъективные погрешности).
  а)  Погрешности считывания значений измеряемых величин со шкал и диаграмм.
  б)    Погрешности обработки кривых без применения технических средств. Пример: обработка осциллограмм с целью определения мгновенных значений тока или напряжения, сдвига фаз и др. параметров.
  в)    Погрешности, вызываемые воздействием оператора на объект измерения и СИ. Пример: влияние оператора и расположения проводов при измерении малых емкостей, параметров полевых транзисторов, микросхем и т.п.
  Кроме того, свою долю погрешности могут внести средства вычислительной техники (калькуляторы, компьютеры и пр.), применяемые при обработке промежуточных результатов измерения (погрешность вычислений).
  Основная и дополнительная погрешности СИ. Погрешности, зависящие от внешних условий (влияющих факторов), принято подразделять на основные и дополнительные. Основной погрешностью (8₀) называют погрешность в условиях, принятых за нормальные. Так, для многих типов СИ нормальными условиями являются: температура (293 ± 5) К, или 20 ± 5⁰С, относительная влажность (65 ± 15)%, напряжение сети 220 В ± 10%. Дополнительные погрешности (8Д) возникают в рабочих условиях при отклонении влияющих факторов от нормальных значений. В число влияющих факторов входят:
  а)    Изменение температуры. Отклонение температуры, при которой производится измерение, от той, при которой градуировался прибор, вызывает погрешность (8Т), равную основной на каждые 10oC отклонения.
  б)    Отклонение напряжения от номинального значения. Эту погрешность (8Н) следует учитывать при настройке частотных реле, ею можно пренебречь при снятии векторных диаграмм, в других случаях - исключить выбором соответствующей схемы испытания.
  в)    Влияние внешних магнитных полей. Погрешность (8М) зависит от конструкции и степени защиты прибора и определяется в функции напряженности магнитного поля.
  г)    Отклонение положения прибора от нормального. При отклонении положения прибора на 10° погрешность (8П) численно равна классу прибора.
  д)    Погрешность измерительных трансформаторов (8К), возникающая из-за отклонения коэффициента трансформации от номинального значения.
      Общая погрешность. Суммарная дополнительная погрешность рассчитывается как

$д = 7+ ^«² +         ,

  а общая погрешность будет

8 = V Д2 + Д)² .


9

  Пример. Определить возможную погрешность измерения напряжения срабатывания реле 50 В при следующих условиях: температура окружающей среды +5"С; измерение производится вольтметром с пределом 150 В, класс точности 0,5. Пусть известно, что напряжённость внешнего магнитного поля в месте расположение вольтметра составляет 1Э (79,6 А/м), соответствующая погрешность пропорциональна напряженности и при 5 Э (398 А/м) приведенная погрешность равна 2,5%; наклон прибора от горизонтального положения 10°.
  Предельное значение основной погрешности вольтметра на делении 50 В составит 8₀ = 0,5-150/50 = 1,5%. Если прибор градуировался при 15 °C, то дополнительная погрешность от изменения температуры будет также 1,5%.
  Дополнительная погрешность от влияния магнитного поля составит 2,5-3/5 = 1,5%, от наклона прибора 0,5-3 = 1,5%; погрешности от изменения напряжения вольтметр не имеет.
  Возможная суммарная дополнительная погрешность составит тогда

8Д = V1,5² +1,5² +1,5² = 2,6%,

  а возможная полная погрешность

8 = 71,5² + 2,6² = 3,0%.

  Погрешность можно снизить, применив вольтметр с меньшим верхним пределом измерения, например 100 или 50 В: тогда основная погрешность уменьшится соответственно до 1 или 0,5%, а полная до 2,0 или 1,0%. Дальнейшего снижения погрешности можно достичь путём устранения или уменьшения воздействия влияющих факторов, например, установив вольтметр в нормальное положение.

        1.2. Электроизмерительные приборы.

  Измерительные приборы, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины, называют аналоговыми. Эти приборы имеют оцифрованную шкалу, а перемещение их подвижной части (угловое или линейное) с указателем (стрелкой) определяется значением измеряемой величины. Отношение перемещения указателя к соответствующему значению измеряемой величины называется чувствительностью , обратная величина - постоянной прибора. Например, чувствительность к току может быть выражена в размерности деление/А, к напряжению - деле-ние/В. Разность значений, обозначенных на двух соседних делениях шкалы, называется ценой деления.
  Цифровые приборы преобразуют непрерывную входную величину (напряжение, ток и др.) в отдельные (дискретные) сигналы, а измерительная информация представляется в числовой форме на цифровом индикаторе (дисплее, табло). Поэтому цифровой прибор всегда содержит два основных функциональных узла: аналогоцифровой преобразователь (АЦП) и цифровое отсчётное устройство. Система приборов отечественного производства часто обозначается буквами русского алфавита:

10

цифровая - буквой Щ, аналоговые - в зависимости от конструкции измерительного механизма (ниже - в скобках).
   1.2.1. Аналоговые приборы.
   В приборах магнитоэлектрической системы (М) подвижная часть механизма отклоняется в результате взаимодействия двух магнитных полей: постоянного магнита и катушки с током. Угол поворота стрелки прямо пропорционален току в катушке (измеряемой величине), а направление поворота (знак угла) зависит от направления тока. Особо чувствительные магнитоэлектрические приборы называются гальванометрами .
   В обычных магнитоэлектрических вольтметрах и амперметрах подвижная часть установлена на подпятниках, из-за трения в которых эти приборы пригодны только для измерения сравнительно больших токов. В гальванометрах подвижная катушка подвешивается на металлической нити или ленте, благодаря чему устраняется трение в опорах и уменьшается противодействующий момент, а следовательно повышается чувствительность прибора и уменьшается погрешность. Измерение угла поворота катушки оптическим путём обеспечивается с помощью зеркальца, в связи с чем такие гальванометры часто называют зеркальными. При эксплуатации они должны устанавливаться по уровню или отвесу.
   Зеркальный отсчёт выполняется субъективным или объективным методом. В первом случае перед зеркалом размещается освещённая шкала с делениями. Отражённый от зеркальца луч света направляется в зрительную трубу, в которой видна часть шкалы. Одну из отметок шкалы совмещают с вертикальной чертой на объективе, и при повороте катушки оператор увидит другую отметку шкалы, - деление, соответствующее измеряемой величине. Во втором случае узкий луч света направляют непосредственно на зеркальце. Отразившийся от него луч попадает на шкалу в виде тонкой световой полоски, которая перемещается по шкале на расстояние, пропорциональное углу поворота катушки. Когда не представляется возможным пользоваться зеркальными гальванометрами, требующими стационарной установки, применяют переносные гальванометры меньшей чувствительности (например, микроамперметры).
   Катушка гальванометра замыкается на сопротивление, от значения которого зависит характер и время её движения. Это объясняется тем, что при повороте катушки в поле постоянного магнита в ней индуктируется ЭДС, и возникающий в замкнутой цепи ток тормозит движение катушки. Кроме того, движение катушки тормозится трением о воздух и закручиванием подвеса. Суммарное действие сил, тормозящих (успокаивающих) движение катушки, оценивается так называемым коэффициентом успокоения ф, по значению которого судят о характере движения. При р <1 процесс носит колебательный характер, причём при р =0 колебания становятся незатухающими. Если р >1, катушка апериодически приближается к положению равновесия, не переходя его. Пограничный случай ф=1 называют режимом критического успокоения, когда катушка движется тоже апериодически, но наиболее ускоренно. Сопротивление, на которое замкнута катушка в этом режиме, называют внешним критическим сопротивлением.

11

  Гальванометры с повышенным моментом инерции подвижной части называют баллистическими. Наибольшее отклонение a ₘ подвижной части такого гальванометра пропорционально количеству электричества Q импульса тока, протекшего через катушку:
Cqa m = Q,

  где Cq - баллистическая постоянная (в кулонах на деление шкалы прибора). Наибольшая чувствительность получается при коэффициенте успокоения р = 0, что может иметь место при очень большом сопротивлении внешней цепи гальванометра. По мере увеличения р чувствительность падает, при критическом успокоении - в 2,7 раза.
  Магнитоэлектрические измерительные механизмы выполняются обычно на ток до 0,1 А. Для измерения больших токов применяются встроенные или наружные шунты - прецизионные резисторы с малым сопротивлением (порядка десятых, тысячных долей ома и меньше). Шунт параллельно с катушкой включается в цепь измеряемого тока последовательно с нагрузкой. Номинальные значения падения напряжения на шунте стандартизированы и составляют обычно 75 или (реже) 45 мВ. Внутренние (встроенные в прибор) шунты изготовляются на токи до нескольких десятков ампер. Такие амперметры называют прямоточными и включают в цепь тока непосредственно. Наружные шунты на большие токи (сотни и тысячи ампер) снабжаются двумя парами зажимов: внешняя (токовая) служит для подключения в цепь измерительного тока, внутренняя (потенциальная) - для соединения с прибором (милливольтметром, градуированным в амперах). Такое устройство позволяет избежать погрешности от включения в измерительную цепь падения напряжения на токовых зажимах.
  В вольтметрах последовательно с чувствительным измерительным элементом включается встроенный резистор с достаточно большим сопротивлением; для расширения пределов измерения применяются наружные добавочные резисторы. Вольтметр подключается к тем точкам цепи, напряжение между которыми требуется измерить, в частности, параллельно нагрузке. При этом надо учитывать, что сопротивление цепи вольтметра должно быть существенно выше внутреннего сопротивления объекта измерения - практически не менее чем на порядок.
  Основные достоинства приборов магнитоэлектрической системы - равномерная (линейная) шкала, высокая точность (классы от 0,1 до 1,5), большая чувствительность, малое собственное потребление, незначительное влияние внешних магнитных полей; недостатки - непосредственное измерение только постоянного тока, чувствительность к перегрузкам и механическим воздействиям и др.
  В цепях переменного тока измерители магнитоэлектрического типа могут использоваться лишь в двух случаях: 1) подвижная часть прибора имеет малый момент инерции, что позволяет ей следовать за изменением измеряемого сигнала, и 2) прибор применяется совместно с выпрямителем или термопреобразователем. Во всех остальных случаях магнитоэлектрический прибор измерит только постоянную составляющую сигнала, а в цепи синусоидального тока промышленной частоты и выше его показания будут равны нулю; на промышленной частоте заметны вибрация стрелки и характерный звук.

12