Gutdver.ru

Отделка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Защита от перенапряжений вакуумными выключателями

Защита от перенапряжений вакуумными выключателями

События • Конференция

В конце 2012 года в Томске состоялся один из наиболее авторитетных мировых научных форумов в области вакуумной и плазменной электроники – Международный симпозиум по разряду и электрической изоляции в вакууме (ISDEIV 2012), определяющий мировые тенденции развития вакуумной коммутационной техники.
В этом году его главным организатором выступил Томский институт сильноточной электроники СО РАН.
В работе симпозиума приняли участие ведущие российские ученые и более 130 их коллег из 19 стран (США, Германия, Франция, Голландия, Израиль, Япония, Корея, Индия, Китай и др.). Было сделано 211 докладов, из которых 45 – устных и 166 – стендовых.
На протяжении всех 5 дней на различных секциях, панельных дискуссиях были представлены новейшие результаты исследований по следующим темам:
– физика и техника вакуумных сетевых выключателей (46%);
– фундаментальные проблемы физики вакуумной дуги (10%);
– сильноточная вакуумная электроника (8%);
– физика пробоя по поверхности диэлектрика (8%);
– физика и техника формирования покрытий с использованием вакуумного разряда (7%);
– физика предпробойных явлений и пробоя в вакууме (7%);
– физика и техника электронных и ионных пучков на основе вакуумного разряда (6%);
– проблемы, сопутствующие тематике симпозиума (4%);
– физика электрического разряда в газах низкого давления (2%);
– слаботочная вакуумная электроника (2%).
Традиционно наибольшее внимание на форуме было уделено физике и технике вакуумных выключателей.
Наряду с устными докладами и постерными сессиями в рамках симпозиума проводились круглые столы.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ КОММУТАЦИИ ВАКУУМНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ
Мнение мирового сообщества

Подготовил Валерий Журавлев, «Новости ЭлектроТехники»

КРУГЛЫЙ СТОЛ ПО ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯМ

По инициативе Промышленной группы «Таврида Электрик», в рамках ISDEIV был организован круглый стол «Перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки».
Участникам круглого стола – представителям ведущих мировых исследовательских центров и крупнейших электротехнических компаний было предложено обсудить вопрос, который регулярно дискутируется в российском профессиональном сообществе: насколько верно утверждение, что вакуумные выключатели (ВВ) на напряжение 6–10 кВ более опасны для электроприемников с точки зрения коммутационных перенапряжений, чем другие типы коммутационных аппаратов?

Вел круглый стол доктор Рене Смитс (Rene Smeets), профессор Технологического университета Эйндховена (Нидерланды), член рабочей группы МЭК по вопросам коммутации индуктивных нагрузок, автор более 200 научных работ по коммутациям высоковольтных нагрузок и испытаниям, сотрудник крупнейшей испытательной и сертификационной лаборатории KEMA, признанный эксперт в области коммутационных перенапряжений. Рене Смитс также является членом постоянного научного комитета симпозиума – Permanent International Scientific Committee (PISC), объединяющего наиболее ярких представителей научных организаций и промышленных компаний мира в области вакуумной техники. На сегодняшний день из 18 членов PISC Россию представляют: Сергей Школьник (Физико-технический институт имени
А.Ф. Иоффе РАН), Дмитрий Проскуровский (Институт сильноточной электроники СО РАН), Алексей Чалый (Промышленная группа «Таврида Электрик»).

Эдгар Дулни (Edgar Dullni), вице-президент компании ABB, член PISC во вводном докладе кратко охарактеризовал природу возникновения перенапряжений при коммутации индуктивных нагрузок ВВ.
Были освещены физическая сущность и характерные параметры следующих процессов: срез тока и связанные с ним перенапряжения; перенапряжения при многократных повторных зажиганиях; перенапряжения при виртуальном срезе тока; предпробои при включении. Все эти явления давно известны научному сообществу, хорошо изучены и объяснены.

Рене Смитс в своем выступлении рассказал о подходе, принятом в стандарте IEC 62271-110 – High-voltage switch gear and control gear – Part 110: Inductive load switching («Аппаратура распределения и управления высоковольтная. Часть 110. Переключение индуктивной нагрузки»). Стандарт описывает классы напряжения от 1 до 800 кВ и регулирует вопросы коммутации ненагруженных трансформаторов, шунтирующих реакторов на напряжение более 52 кВ и двигателей на напряжение до 17,5 кВ.

Докладчик отметил, что стандарт не затрагивает трансформаторы с точки зрения испытаний по причине непреодолимых сложностей с моделированием в тестовой цепи поведения конкретного трансформатора и сильной зависимости результатов от конструктивных и технических параметров трансформатора.
Для коммутации двигательной нагрузки проблема достаточно успешно решается, особенно в части отключения пусковых токов. Тестовая последовательность для двигательной нагрузки состоит из 80 опытов, разделенных на 4 тестовых случая, различающихся отключаемыми токами и емкостью со стороны источника. По результатам множества проведенных испытаний в лаборатории KEMA Рене Смитс сделал следующие обобщающие выводы:
– Срез тока не представляет опасности для изоляции двигателей, если он не сопровождается повторными зажиганиями и виртуальным срезом тока.
– Множественные повторные зажигания при их возникновении вызывают перенапряжения с большой крутизной и амплитудой, опасной для изоляции оборудования.
– Виртуальный срез тока не является уникальным явлением и может вызывать перенапряжения очень большой кратности (рис. 1).
– Перенапряжения при множественных повторных зажиганиях и виртуальном срезе тока успешно ограничиваются с помощью ОПН до уровня, безопасного для изоляции нагрузки (рис. 2).
– Перенапряжения в тестовых цепях превышают аналогичные в реальной эксплуатации.
В заключение он отметил, что по совокупности эксплуатационных преимуществ ВВ не имеют альтернатив в среднем классе напряжения, что отражает их доля в общем количестве установленных по всему миру аппаратов (рис. 3).

Рис. 1. Перенапряжения на выключателе при виртуальном срезе тока

Рис. 2. Перенапряжения на нагрузке при ограничении с помощью ОПН

Рис. 3. Динамика доли рынка выключателей среднего класса напряжения с различными дугогасящими средами

Артем Базавлук, старший специалист исследовательского отдела ПНП «Болид» (г. Новосибирск), изложил результаты исследований и позицию компании по вопросу перенапряжений при коммутации ВВ, а также предложения по нормированию параметров ВВ на уровне стандартов.
Докладчиком были сформулированы следующие выводы:
– ВВ должны проверяться и мониториться как производителями, так и эксплуатирующими организациями.
– ВВ должны быть оборудованы специальным устройством для контроля и проверки их механических характеристик.
– Параметры ВВ должны периодически проверяться в процессе эксплуатации.
– Коммутируемое оборудование должно оснащаться средствами защиты. Правильный выбор ВВ и средств защиты зависит от типа нагрузки.
– Перенапряжения при коммутации ВВ опасны для кабелей из сшитого полиэтилена, двигателей и трансформаторов.
– Требования ГОСТ не могут быть применены ко всем ВВ.
– Новое энергетическое оборудование требует формирования дополнительных требований и ужесточения существующих.
Компания «Болид» предлагает нормировать на уровне стандартов следующие характеристики ВВ: скорость движения контактов при включении и отключении; отсутствие дребезга; неодновременность замыкания полюсов; ток среза; давление в вакуумной камере; электрическая прочность при расстоянии 2 мм между контактами.

Читайте так же:
Линейный выключатель 110 кв это

Доктор Ханс Шелекенс (Hans Schellekens), технический директор Schneider Electric, член PISC, в следующем докладе изложил мнение компании по существующему утверждению о том, что ВВ опасно использовать в сетях, где применяются кабели из сшитого полиэтилена, например в распределительных сетях городов, в связи с возможной быстрой деградацией их изоляции из-за перенапряжений высокой частоты.
Опираясь на экспериментальные зависимости и модели старения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые были сопоставлены с уровнями воздействующих перенапряжений с учетом их длительности, выступающий сделал следующие выводы:
– Коммутации выключателями любого типа в распределительной сети не влияют на время жизни кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
– Перенапряжения в присоединенной к распределительной сети промышленной нагрузке не влияют на распределительную сеть и могут не учитываться.
– Для промышленной нагрузки все возможные перенапряжения с учетом длительности не превышают 10% от пробивного напряжения.
– Коммутация конденсаторных установок является самым нагруженным режимом для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена вне зависимости от типа применяемой дугогасящей среды.
– Применение вакуумных выключателей не влияет на интенсивность отказов и время жизни кабелей в российских электрических сетях.
Докладчик отметил, что данные тезисы подтверждаются обширным опытом эксплуатации ВВ и кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в Европе, Америке и Китае.

Доктор Эрик Тэйлор (Erik Taylor), представитель компании Siemens, в своем выступлении поделился опытом компании в части рекомендаций по защите от перенапряжений двигателей среднего напряжения. Он подчеркнул, что применение ВВ для коммутации двигательной нагрузки давно принято и одобрено рынком во всем мире, а интенсивные многолетние независимые исследования показали полную совместимость ВВ и двигателей, что подкреплено обширным опытом эксплуатации. Проблема перенапряжений при коммутации двигателей хорошо изучена и предложена масса эффективных технических решений по ограничению перенапряжений, в том числе специальные средства защиты.

Заключительный доклад представил Алексей Чалый, генеральный и технический директор Промышленной группы «Таврида Электрик», член PISC. В своем выступлении он сказал, что ряд утверждений российских специалистов об опасности применения ВВ в сетях 6–10 кВ не подтвержден необходимым объемом экспериментальных данных, а иногда напрямую противоречит существующему опыту эксплуатации. Например, говоря о повышении повреждаемости оборудования с увеличением количества вакуумных выключателей в сетях промышленных предприятий, критики ссылаются всего на один источник, в котором данные, позволяющие сделать такой вывод, отсутствуют. Также докладчиком были приведены сведения, полученные от промышленных предприятий, которые опровергают утверждение о повышении аварийности, вызванном широким внедрением ВВ.
Список дополнительных требований к характеристикам ВВ, по мнению А. Чалого, не имеет достаточного обоснования ни в части необходимости их нормирования, ни в части конкретных значений нормируемых характеристик. Более того, некоторые из предлагаемых требований при выполнении могут вызвать эффект, обратный ожидаемому. Так, например, было показано, что при неодновременности замыкания контактов 0,6 мс перенапряжения при включении ВВ оказываются выше, чем при 1,2 мс. По большей части предлагаемых к нормированию параметров специалистами компании «Болид» не было предложено методики проверки и измерения.
Также докладчик указал на существенные, по его мнению, методические и измерительные ошибки при получении экспериментальных данных, которые ставят под сомнение сделанные на их основе выводы.

Подводя итоги мероприятия, Рене Смитс отметил, что некоторые специалисты в качестве альтернативы применения ВВ предлагают возврат к масляным выключателям, характеризующимся меньшей частотой перенапряжений для некоторых видов нагрузки. Однако подобная альтернатива фактически не может быть принята из-за низкой надежности, ресурса, пожароопасности и необходимости в регулярном обслуживании этих аппаратов.

Все доклады, прозвучавшие в рамках круглого стола, можно скачать по ссылке http://www.hcei.tsc.ru/conf/isdeiv/images/presentations/0_Panel_I_ISDEIV2012.pdf
Дополнительную информацию о симпозиумах по электрической изоляции и разрядам в вакууме можно найти на сайтах http://isdeiv.lbl.gov и http://www.hcei.tsc.ru/conf/isdeiv/index.html

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Сравнение вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения — Выполнение коммутационных задач

Помимо своей главной задачи, отключения токов короткого замыкания, силовые выключатели должны справляться и со всеми другими коммутационными задачами, которые возможны в процессе эксплуатации. Так как при этом к выключателям предъявляются, отчасти, совершенно противоположные требования, то неизбежно, что не все эти задачи могут выполняться одинаково успешно. Отдельные разработки выключателей представляют собой более или менее удачные компромиссные решения. Для вакуумных выключателей современной конструкции были найдены оптимальные решения, которые рассмотрены ниже.
Помимо отключения токов короткого замыкания коммутационные операции можно разделить на три следующие группы:
коммутация емкостных токов
коммутация малых индуктивных токов (прибл. до 20 А)
коммутация индуктивных токов (от 20 А до номинального рабочего тока).

Коммутация емкостных токов

В эту категорию входит отключение батарей конденсаторов, ненагруженных кабелей и воздушных линий, а также включение и параллельное включение конденсаторов.
Также, как и вакуумный выключатель, элегазовый производит отключение в этом случае практически без повторных зажиганий и, тем самым, без перенапряжений.
При включении конденсаторных батарей, особенно при их параллельном включении (например, подключение секции конденсаторной батареи к уже находящейся в работе), возникают переходные токи с высокой частотой и большой амплитудой. В элегазовых выключателях со скользящими и розеточными контактами данные переходные токи могут привести к торможению подвижных деталей контакта. Поэтому необходимо принимать меры по уменьшению этих нагрузок (дроссельные катушки).

Коммутация малых индуктивных токов

При рассмотрении данной коммутационной операции речь идет прежде всего об отключении ненагруженных трансформаторов. Из-за среза тока в выключателе здесь могут возникать высокие перенапряжения.
При использовании вакуумных выключателей 3AH токи среза невелики (ниже 5 А). Поэтому при отключении ненагруженных трансформаторов перенапряжения невелики и при этом не требуется никаких дополнительных средств защиты от перенапряжений.
У тех элегазовых выключателей, которые работают исключительно на принципе гашения дуги, при котором дутье зависит от величины отключаемого тока (выключатель с гашением дуги автодутьем и с гашением дуги вращением) примерно такие же токи среза, как и у вакуумных выключателей.
У элегазовых выключателей с дополнительным поршнем (для надежного прерывания емкостных токов), токи среза намного выше, что ведет к большим коммутационным перенапряжениям.

Коммутация индуктивных токов

К этой категории относятся в основном две коммутационные операции:
Коммутация компенсирующих реакторов.
Отключение электродвигателей с заторможенным ротором при их пуске (сюда
относятся электродвигатели с малой мощностью).
Опасные перенапряжения при коммутации сетей среднего напряжения вакуумными выключателями фирмы Siemens могут возникать в очень редких случаях. В основном, при отключении пусковых токов менее, чем 600 А небольших двигателей при начале расхождения контактов за 0,5-1,0 мс до перехода тока через нуль (0,2 % случаев из всех случаев коммутации двигателей). Для этих случаев разработано руководство по координации изоляции при эксплуатации вакуумных выключателей фирмы Siemens, где приводятся схемы защиты от перенапряжений, в основном, с использованием ограничителей перенапряжений. При использовании этих средств ограничения, коэффициент перенапряжений равен:
(1)
где Uoct опн = 13 кВ — остающееся напряжение ограничителя перенапряжений;
U = 6,6 кВ — номинальное напряжение двигателя.
Электродвигатели имеют уровень изоляции, определяющийся следующими испытательными напряжениями (IEC 3415, ГОСТ):

где Unep испыт- испытательное одноминутное напряжение промышленной частоты.
U испыт — импульсное испытательное напряжение стандартной волны (1,2/50 мкс).
При коммутации вакуумными выключателями в отдельных случаях возможно возникновение высокочастотного импульса перенапряжения (вероятность 0,2 %). Для правильной оценки необходимо сравнить уровень перенапряжения с уровнем изоляции электродвигателя, который определяется по следующей формуле:
(2)
где U уров изоляции — уровень изоляции электродвигателя при коммутации вакуумными выключателями ;
К =1,4- Коэффициент импульса (CIGRE) [50]
Получаемый по (1) коэффициент перенапряжений с учетом (2), с достаточным запасом решает задачу координации изоляции электродвигателей.
Для исключения возможности возникновения перенапряжений при отключении малых индуктивных токов, фирма Siemens разработала "Руководство по координации изоляции при эксплуатации вакуумной техники фирмы Siemens в сетях среднего напряжения". При этом ограничитель перенапряжений используется в том случае, если пусковой ток двигателя меньше или равен 600 ампер. В комбинации «Электродвигатель — трансформатор» определяющим является ток, который проходит через выключатель.
Исключение: электродвигатели с индивидуальной компенсацией реактивной мощности не требуют схем защиты от перенапряжений, если:
конденсаторы постоянно связаны с электродвигателем
компенсационная мощность Qc составляет как минимум 1/5 полной мощности электродвигателя Sдвиг, обычно Qc= (1/3) * Sдвиг
Ёмкость конденсатора снижает частотный спектр переходного процесса. В этом случае перенапряжения не возникают. Поэтому альтернативным вариантом является использование вместо ограничителей перенапряжений индивидуальной компенсации реактивной мощности.
Электродвигатель, коммутируемый напрямую
Электродвигатель, коммутируемый напрямую
I < 600 А
пуск.
Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный за выключателем
Электродвигатель с блочным трансформатором
Защитное действие в обоих вариантах одинаково.
Вариант 1 Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный за выключателем
Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный за выключателем
Вариант 2. Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный на трансформаторе
Ограничитель перенапряжений 3EF, установленный на трансформаторе
На нижеприведенных схемах указаны точки подключения ограничителей.
На трансформаторы вместо ограничителей перенапряжений 3EF могут быть установлены разрядники в том случае, если изоляция трансформатора соответствует наивысшему значению уровня изоляции, нормированному согласно МЭК 71 / VDE 0111.
Электродвигатель с пусковым трансформатором
Электродвигатель с пусковым трансформатором

Читайте так же:
Дифференциальный автоматический выключатель legrand dx3 16a тип ac 30ma

Подключение ограничителя перенапряжений 3EF

либо на основном выключателе (1), либо на трансформаторе (2); на нейтрали трансформатора (3)

на нейтрали трансформатора (3)

Часто уровень изоляции пусковых трансформаторов не соответствует расчетному уровню изоляции, нормированному согласно МЭК 71 / VDE 0111. Поэтому на трансформаторах (2) необходимо использовать только ограничители перенапряжений, потому что они имеют низкие значения остающегося напряжения. В этих случаях разрядники практически не используются.
Электродвигатель с индивидуальной компенсацией
Не требуется никаких мер защиты. В качестве альтернативы применению ОПН может использоваться метод индивидуальной компенсации.
Требование: компенсационная мощность Qc>( 1 /5)*Sдвиг обычно Qc = (l/3)*Sдвиг

В связи с вышеизложенным, и тем фактом, что вакуумные выключатели тысячекратно прошли проверку на практике и эксплуатируются на АЭС многих стран, современные фирмы — производители вакуумной коммутационной техники дают гарантию на безотказную работу электродвигателей при коммутациях их вакуумными выключателями.
Общая коммутационная система вакуумного выключателя (макс. 2 части) с ограничителем перенапряжений (макс. 6 частей) имеет гораздо меньше составных частей, чем отдельно взятый элегазовый выключатель (макс. 24 части, см. табл.2.1.). Это означает, что эксплуатационная надежность вакуумного выключателя с ограничителем перенапряжений гораздо выше, чем отдельно взятого элегазового выключателя.
Кроме того, как было отмечено выше, в настоящее время проблему опасных перенапряжений при коммутации малых индуктивных токов с большим успехом решают применяемые для этой коммутационной задачи вакуумные выключатели с использованием AgW — или AgWC — сплавов для контактного материала.
Элегазовые выключатели с дутьем, зависящим от величины отключаемого тока, не имеют тенденции к многократным повторным зажиганиям и виртуальным токовым срезам.
При отключении электродвигателей в их пусковом режиме элегазовыми выключателями с дугогасительной камерой с поршнем, из-за повторных зажиганий и больших токовых срезов, создаются опасные перенапряжения, которые представляют опасность для изоляции электрооборудования.
Что касается включения и отключения электродвигателей, можно в целом констатировать, что благодаря своему большому допустимому числу коммутационных циклов и надежности в эксплуатации вакуумный выключатель лучше всего приспособлен для этой коммутационной операции, в том числе в особых условиях (отключение небольших электродвигателей во время пуска).
При отключении компенсирующих реакторов как у вакуумного выключателя, так и у элегазового выключателя с дугогасительной камерой с поршнем наблюдаются перенапряжения, вызванные многократными повторными зажиганиями, а при номинальных токах до 600 А — также виртуальные токовые срезы (об использовании в этом случае элегазовых выключателей с гасящим действием, зависящим от силы тока, в целом не может быть и речи из-за их номинальных параметров: 36 кВ / 31,5 кА). Но, благодаря своему большому допустимому числу циклов включения-отключения, вакуумный выключатель имеет преимущества, при условии применения специальных схем защиты от перенапряжений.
В заключение приведем еще два специальных случая коммутации: тяговый выключатель и выключатель для трансформаторов дуговых электропечей.
Коммутация в однофазных сетях тягового электроснабжения означает для выключателя следующие отличия, по сравнению с выключателями трехфазного тока на 50 Гц или 60 Гц:
при низких частотах (16 2/3 Гц или 25 Гц) среднее время горения электрической дуги становится больше из-за увеличения периода отключаемого тока. — в выключателях трехфазного тока три полюса «помогают» друг другу, например, в выключателях трехфазного тока 50 Гц каждые 3,3 мсек на 3 полюсах по очереди наблюдается прохождение тока через нуль, что приводит к уменьшению среднего времени горения электрической дуги. В тяговых выключателях такого облегчения не существует.
Уже при гашении электрической дуги в сетях трехфазного тока у элегазовых выключателей энергия горения дуг гораздо больше, чем у вакуумного выключателя. Поэтому из-за продолжительного времени горения электрической дуги, описанного выше, они вряд ли могут быть пригодны в качестве тягового выключателя.
При коммутации дуговых электропечей токи в диапазоне между током холостого хода и двукратным номинальным током трансформатора должны коммутироваться до 100 раз в день. Это создает чрезвычайно высокую нагрузку на выключатель, как электрическую, так и механическую, с которой лучше всего может справиться вакуумный выключатель (с защитными устройствами от перенапряжений).
Ввиду своего ограниченного допустимого числа коммутационных циклов и своих номинальных параметров (часто 36 кВ / 31,5 кА) элегазовые выключатели могут лишь в исключительных случаях использоваться в качестве выключателей дуговых электропечей.
В итоге можно констатировать, что использование современных вакуумных выключателей в каждом из отдельных случаев применения имеет преимущества по сравнению с использованием других выключателей. Это касается также, так называемых, критических коммутационных операций.

Читайте так же:
Где расположен выключатель гидромуфты камаз

Выводы

Исходя из анализа имеющихся данных и выполненных исследований сформулированы следующие выводы:
1 Для коммутационных задач в сетях среднего напряжения оптимальным является вакуумный выключатель.
Перенапряжения, которые возникают при коммутации современными вакуумными выключателями в сетях среднего напряжения, в очень редких случаях требуют применения ОПН.
По показателям уровня опасных перенапряжений, при прочих равных условиях параметров сети, современные вакуумные выключатели находятся на одном уровне с элегазовыми выключателями.
Современные вакуумные выключатели среднего напряжения превосходят элегазовые по следующим параметрам:
Стабильность диэлектрической среды дугогасящей камеры на протяжении всего срока службы выключателя
Постоянное, небольшое переходное сопротивление контактов
Отсутствие продуктов разложения при коммутациях.
Высокое число коммутаций номинальных токов
Отсутствие обслуживания в течение 20 лет
Высокая надежность.
Низкое содержание синтетических материалов.
Отсутствие опасности взрыва в случае неисправности вакуумной дугогасительной камеры
Возможность применения для всех коммутационных задач
По показателям эксплуатационной надежности, коммутационным и механическим ресурсам, затратам на эксплуатацию, по экологичности, а также сравнительно малой массы и малых габаритов, вакуумные выключатели на порядок превосходят как элегазовые, так и любые другие выключатели.
Благодаря этим признакам, в сочетании с экономической выгодой принцип вакуумного дугогашения приобретает все большее признание. Вакуумный силовой выключатель является наиболее покупаемым коммутационным устройством в мире.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ДЛЯ СИНХРОННОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ НЕНАГРУЖЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ДЛЯ СИНХРОННОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ НЕНАГРУЖЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Прохоренко Е.В., канд. техн. наук Лебедев И.А. Представлены результаты расчетов отключения трансформаторов вакуумными выключателями, позволяющие оценить актуальность применения синхронной коммутации. Сформулированы требования к статическим и динамическим характеристикам электромеханического привода и кривым восстановления электрической прочности вакуумных дугогасительных камер (ВДК) синхронного вакуумного выключателя (СВВ), разработаны алгоритмы работы СВВ, сформированы требования к допустимым разбросам в работе полюсов СВВ. Рассмотрена реализация электромеханического привода и возможность создания системы автоматического управления (САУ), обеспечивающей заданные характеристики. Предложено оригинальное конструктивное решение СВВ с электромеханической системой, которое позволяет обеспечить требуемые статические и динамические характеристики. К л ю ч е в ы е с л о в а: коммутация силовых трансформаторов; синхронные вакуумные выключатели; вакуумные дугогасительные камеры; снижение перенапряжений Вакуумные выключатели в настоящее время являются наиболее перспективным видом коммутационной техники, занимая свою нишу на классах напряжения 6-35 кв и приближаясь к классам напряжения до 330 кв включительно. Вакуумные выключатели завоевали такую популярность благодаря надежности, быстродействию, пожаро- и взрывобезопасности, высокому коммутационному ресурсу, большому безремонтному сроку службы. Еще более быстрому распространению вакуумных выключателей (ВВ) препятствует один недостаток этого типа коммутационной техники: способность генерировать перенапряжения при коммутации индуктивной нагрузки [1-9]. При этом из-за особенностей дугогашения в вакууме возникающие повторные зажигания (ПЗ) дуги в межконтактном промежутке вакуумной дугогасящей камеры (ВДК) приводят к возникновению крутых волн напряжения, воздействующих, главным образом, на продольную (межвитковую) изоляцию коммутируемого оборудования. Results of modeling of switching out of transformers by vacuum circuit breakers are described, which allow evaluating of applicability of synchronous switching. Requirements on static and dynamic behavior of electromechanical drive and electric strength recovery curves for vacuum extinguishing chambers (VEC) of synchronous vacuum circuit breakers (SVCB) are disclosed. Algorithms of SVCB operation are developed and requirements on permitted variation of SVCB pole terminal operation are stated. A version of electromechanical drive and feasibility of automatic control system (ACS) that provides specified characteristics are shown. Original solution of SVCB design along with electromechanical system, which is able to provide required static and dynamic performance is proposed. K e y w o r d s: switching of power transformers; synchronous vacuum circuit breakers; vacuum extinguishing chambers; overvoltage reducing Особенно опасными эти воздействия являются для электродвигателей [1-3], имеющих сниженный уровень изоляции. Cуществует опасность повреждения продольной изоляции и для трансформаторов [3-6], в особенности это касается трансформаторов с воздушной (облегченной) и литой изоляцией, использующихся в некоторых отраслях, например, в горнорудной [7-9]. Ситуация усугубляется тем, что в горнорудной отрасли схемы подключения вакуумных выключателей к коммутируемым трансформаторам существенно отличаются от традиционно используемых схем подключения [7-9]. Длина соединяющего кабеля между ВВ и трансформатором при обычных схемах подключения составляет не менее м, при использовании же взрывозащищенных оболочек для горнорудной отрасли длина соединяющей перемычки между ВВ и трансформатором не превышает 1-2 м. Малая длина кабеля имеет небольшую емкость, усугубляется малой входной емкостью трансформатора в сравнении с емко- 40

2 ОБОРУДОВАНИЕ стью двигателя, что приводит к высокой частоте процессов и малому демпфированию воздействующих волн напряжения в сравнении с обычными схемами присоединения. Большое количество повторных зажиганий приводит в итоге к повреждению межвитковой изоляции и выходу трансформатора из строя. В настоящее время наиболее распространенными способами ограничения перенапряжений являются установка на присоединениях с электродвигателями и трансформаторами нелинейных ограничителей перенапряжений [1-5, 8-9] и демпфирующих RC-цепей [1-9]. Оба способа обладают недостатками: в частности, ОПН недостаточно эффективно ограничивает перенапряжения, снижая только амплитуду воздействующих волн напряжения, но не уменьшая крутизну; установка RC-цепей при некоторых схемах соединения приводит к увеличению емкостного тока, а сама установка бывает технически затруднительна. Иной мерой ограничения перенапряжений является синхронная (управляемая) коммутация, при которой коммутация вакуумного выключателя осуществляется в заданные моменты времени с заданной динамикой движения контактов по алгоритмам, соответствующим типу нагрузки и режиму работы. При этом использование синхронного вакуумного выключателя лишено ряда недостатков, присущих традиционным средствам защиты. Следует отметить, что серийно выпускаемых полноценных синхронных вакуумных выключателей для сетей 6-35 кв в настоящее время не существует. Имеется ряд отечественных [10, 11], зарубежных [12, 13] и некоторых других исследовательских работ, однако они относятся к синхронным коммутациям высоковольтных выключателей. Отсутствуют полноценные работы, охватывающие все режимы коммутации и типы нагрузки, а также отсутствуют образцы устройств синхронной вакуумной коммутации, выполняющие такие функции. Поэтому существует необходимость в проведении соответствующих исследований и создании полноценного синхронного вакуумного выключателя. Проведенная работа направлена на исследование процессов коммутации ненагруженных трансформаторов и оценку возможности реализации СВВ применительно к горнорудным схемам подключения, как наиболее тяжелым с точки зрения возникающих перенапряжений. Математическая модель отключения ненагруженного трансформатора Для выдвижения требований к синхронному вакуумному выключателю и оценки возможности его реализации была разработана математическая модель отключения ненагруженного трансформатора. Схема электрической сети, на основе которой создана математическая модель, показана на рис.1. При расчетах кабель моделировался в виде π-элементов. Длина питающего кабеля принималась равной 100 м. Рис.1. Принципиальная схема расчета отключения трансформатора КЛ кабельная линия между системой и трансформатором, ВВ вакуумный выключатель, Т трансформатор Трансформатор при отключении тока холостого хода моделировался в виде Г-схемы с учетом потерь в обмотках и магнитопроводе трансформатора, а также с учетом индуктивности рассеяния. Расчет проводился для трансформаторов с воздушной изоляцией (ТСВ) при мощностях до 630 ква включительно, для мощностей ква расчет проводился для трансформаторов с литой изоляцией (TSEG). Вакуумный выключатель моделировался в виде идеального ключа, сопротивление которого стремится к бесконечности в разомкнутом и незначительно в замкнутом состояниях. При расчетах в выключателе ток среза промышленной частоты принимался равным 5 А. Обрыв высокочастотного тока осуществлялся при условии, что его величина меньше тока среза высокочастотной составляющей [6], равного 0,125 А. Восстановление электрической прочности межконтактного промежутка вакуумной дугогасящей камеры при отключении трансформаторов описывалось законом [1] U пр =k (t+t 0 ), (1) где k скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка; t текущий момент времени; t 0 время между началом расхождения контактов и первичным погасанием дуги. Адекватность модели проверена натурными испытаниями отключения ненагруженного трансформатора ТСВ-630/6 вакуумным выключателем EX-ВВ [14] с параметрами U ном = 10 кв, I ном = 1000 А, I ном.откл. = 20 ка. На рис. 2 приведены экспериментальная и расчетная осциллограммы напряжений на фазах трансформатора ТСВ-630/6 при отключении тока холостого хода. При моделировании процесса, изображенного на рис. 2а, учитывалась скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка (СВЭП МП, далее СВЭП) выключателя EX-ВВ, определенная по экспериментальной осциллограмме напряжений (рис. 2б). При этом СВЭП реального выключателя является линейной, но изменяющейся на различных участках. При этом наибольшая СВЭП наблюдается в начальный момент времени, а с ростом скорости восстановления напряжения она становится меньше. Среднее значение СВЭП канала 3 на приведенной осциллограмме составило k=35 кв/мс. При дальнейших расчетах синхронных коммутаций принималось допущение, что СВЭП не изменяется на всем протяжении расчета процесса и описывается выражением (1). Критерием эффективности син- 41

Читайте так же:
Выключатель утопленного типа это что

3 a б Рис. 2. Экспериментальная и расчетная осциллограммы напряжений на фазах при отключении ненагруженного трансформатора мощностью 630 ква вакуумным выключателем хронных коммутаций являлось полное отсутствие повторных зажиганий (ПЗ), так как только при отсутствии перенапряжений при коммутациях целесообразно использование синхронного вакуумного выключателя вместо обычного ВВ с комплектом защитных устройств. Моделирование отключения ненагруженного трансформатора Отключение ненагруженного трансформатора имеет свои отличительные особенности: амплитуда тока в фазах большинства рассмотренных трансформаторов меньше величины тока среза, что может привести к обрыву тока во всех фазах при условии одновременного начала движения контактов; индуктивность трансформатора в этом режиме работы значительно больше индуктивности в обычных режимах работы. Совокупность этих особенностей приводит к тому, что отключение тока холостого хода трансформатора может сопровождаться большим количеством повторных зажиганий. Экспериментальные исследования, проведенные авторами работы, показывают, что количество повторных зажиганий может быть (натурный эксперимент проводился на трансформаторе ТСВ-630/6), а амплитуды воздействующих импульсов напряжения при этом могут достигать 8-10 кв и более. Импульсные воздействия на межвитковую изоляцию трансформаторов приводят к ее деградации, приводя в конечном счете к выходу устройства из строя. Поэтому необходимо применение специальных средств защиты от коммутационных перенапряжений или синхронная коммутация трансформаторов. Результаты расчетов при помощи разработанной математической модели показали, что оптимальным является алгоритм пофазного отключения выключателя при переходах тока через ноль. В реальности время от момента подачи импульса на отключение до момента начала движения контактов (время реакции электромеханической системы) может изменяться от коммутации к коммутации, поэтому были выдвинуты требования к допустимому суммарному разбросу во времени реакции системы всех трех фаз. От реального разброса во времени реакции системы зависит насколько точно будет начинаться движение контактов вблизи нуля тока при синхронных коммутациях, когда необходимы прогнозирование момента перехода тока через ноль и запуск электромеханической системы за время ее реакции до этого перехода через ноль. Наиболее жесткими требованиями к разбросу во времени реакции системы характеризуется первая отключаемая фаза, и именно этот разброс является определяющим для разработки привода СВВ. Поэтому в результатах, приведенных ниже, отключение именно первой фазы является расчетным случаем. Существует ряд зависимостей допустимого суммарного разброса как от параметров системы, так и от параметров выключателя. Учет этих зависимостей является необходимым элементом разработки выключателя. Ниже приведены примеры допустимого суммарного разброса в зависимости от мощности трансформатора (рис. 3) и скорости восстановления электрической прочности выключателя (рис. 4). Расчет зависимости рис. 3 проводился для двух типов трансформаторов, имеющих различные параметры, в том числе различные токи холостого хода. Мощности трансформаторов ТСВ лежат в пределах до 630 ква включительно, мощность трансформаторов TSEG составляет от 1250 до 3000 ква. При коммутации однотипных трансформаторов с ростом их мощности из-за сочетания различных параметров происходит ужесточение требований к суммарному допустимому разбросу для отключения без повторных зажиганий. При отключении тока первой фазы в зависимости от СВЭП (рис.4) изменяется и мгновенное значение тока, которое может выключить СВВ без повторных зажиганий. Поэтому при увеличении СВЭП происходит увеличение отключаемого тока без повторных зажиганий, а, следовательно, и расширение окрест- 42

4 ОБОРУДОВАНИЕ увеличением СВЭП возможно снижение этих требований. Принимая во внимание зависимость рис. 4, можно найти компромисс между СВЭП, зависящей напрямую от скорости движения контактов, и точностью работы всей электромехнической системы вакуумного выключателя (ЭМСВВ). Это позволяет добиться увеличения механического ресурса за счет снижения износа сильфона ВДК при увеличении точности работы ЭМСВВ. Рис. 3. Зависимость допустимого разброса начала движения контактов в зависимости от мощности трансформатора при отключении ненагруженного трансформатора при k СВЭП равном 40 кв/мс Рис.4. Зависимость допустимого разброса начала движения контактов в зависимости от коэффициента k СВЭП для трансформатора 630 ква ности вблизи нуля тока, при котором повторных зажиганий не будет. С увеличением мощности трансформатора происходит ужесточение требований к приводу, а с Электромеханическая система и система автоматического управления синхронного вакуумного выключателя Для исследования возможности создания СВВ авторами предложено несколько прототипов вакуумных выключателей, выполненных по модульной схеме и в единой электроизоляционной конструкции [14, 15] с электромагнитными приводами прямого действия (ЭМП) [16], установленными на каждом полюсе аппарата. Фотография одного из последних прототипов, позволяющих создать СВВ, представлена на рис. 5. ЭМП в зависимости от исполнения может быть снабжен защелкой, в том числе магнитной. Вал ручного отключения имеет оригинальную «нажимную конструкцию» [14], не оказывает влияния на динамические характеристики электромеханической системы и не мешает независимой работе приводов. ЭМП создан, исходя из требований к статическим и динамическим характеристикам подвижных контактов ВДК, и представляет собой однообмоточный электромагнит оригинальной конструкции. Система автоматического управления построена таким образом, чтобы обеспечивать допустимый суммарный разброс во времени реакции ЭМСВВ при движении контактов ВДК, а также необходимую СВЭП за счет заданной скорости движения контактов. Функциональная схема (рис. 6) содержит контуры обратных связей, которые сформированы датчиками тока ДТ и датчиками напряжения ДН. Анализ данных токов и напряжений трех фаз электрической сети происходит в блоке внешних синхронизаций БВС, который осуществляет синхронизацию фазных модулей и управление электромеханическими частя- Рис.5. Экспериментальный образец вакуумного выключателя Рис.6. Функциональная схема системы автоматического управления трехфазным синхронным вакуумным выключателем 43

Читайте так же:
Концевой выключатель двери нивы шевроле

Защита от перенапряжений вакуумными выключателями

17 марта, 2014 Mihail Maikl

Для защиты от перенапряжений в комплекте с вакуумны­ми выключателями рекомендуется применять ограничители перенапряжений.

Ограничители перенапряжений серий TEL на оксидно — цинковых нелинейных резисторах без искровых промежут­ков предназначены для защиты электрооборудования станций и сетей от коммутационных и атмосферных перенапряжений и используются для внутренней и наружной установки в се­тях низкого, среднего и высокого переменного напряжения промышленной частоты 48 — 62 Гц.

По сравнению с вентильными разрядниками ограничите­ли серий TEL имеют следующие преимущества:

глубокий уровень ограничения для всех видов волн пере­напряжений;

отсутствие сопровождающего тока после затухания волны перенапряжения;

простота конструкции и высокая надежность в эксплуа­тации;

стабильность характеристик и устойчивость к старению; способность к рассеиванию больших энергий; непрерывное подключение к защищаемой сети; стойкость к атмосферным загрязнениям; малые габариты, вес и стоимость.

Высоконелинейная вольт-амперная характеристика рези­сторов позволяет длительно находится под действием рабоче­го напряжения, обеспечивая при этом глубокий уровень за­щиты перенапряжений.

Резисторы опрессовываются в оболочку из полимерных материалов, которая обеспечивает заданную механическую прочность и изоляционные характеристики. Полимерный корпус обеспечивает надежную защиту от всех внешних воз­действий на протяжении всего срока службы.

Эта конструкция отлично зарекомендовала себя во всех условиях эксплуатации, включая районы с высоким уровнем атмосферных загрязнений.

В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель носит емкостной характер и составляет десятые доли милли­ампера. При возникновении волн перенапряжений резисторы ограничителя переходят в проводящее состояние и ограничи­вают дальнейшее нарастание напряжения на выводах. Когда перенапряжение снижается, ограничитель возвращается в непроводящее состояние.

Ограничители серий TEL были испытаны в соответствии с различными стандартами на взрывобезопасность. При воз­никновении импульсов тока, значительно превышающих рас­четный уровень, разрушение ограничителя происходит без взрывного эффекта.

Все испытания показали отсутствие разрушительных эф­фектов на окружающую среду, что является принципиальным отличием от ограничителей в фарфоровом или другом проч­ном корпусе.

ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ВАКУУМНЫЙ СЕРИИ ВР ОАО «РОВЕНСКИЙ ЗАВОД ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ АППАРАТУРЫ» (г. РОВНО)

Вакуумные выключатели серии ВР предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварий­ных режимах в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 (60) Гц с номинальным напряжением 10 кВ в системах с изолированной нейтралью. Применяются для проведения ре­конструкции КРУ-10 кВ с ячейками Ровенского завода («Рет­рофит»). Основные технические характеристики выключате­ля приведены в табл. 2.15,

На базе вакуумных выключателей ВР изготавливаются вы — катные элементы серий ВРЗ, ВР6В, ВР6К. Выкатные элементы предназначены для реконструкции действующих комплект-

Основные технические характеристики вакуумного выключателя ВР

Номинальное напряже­ние, кВ

Поминальный ток отклю­чения, кА

Поминальный ток, А

Ток электродинамиче­ской стойкости, кА

Ток термической стойко­сти, 3 с, кА

Механический ресурс, число циклов ВО

Коммутационный ресурс, число циклов, ВО: при номинальном токе при номинальном токе отключения

Гок потребления цепи электромагнита при нключении, А

Габаритные размеры, мм

ных распределительных устройств различных серий. Рекон­струкция заключается в замене коммутационного аппарата вместе с выкатным элементом, при полной адаптации выкатного элемента к действующему шкафу КРУ. Такой вид реконструкции действующих электроустановок наиболее экономичен, не прерывает технологический цикл, не требует строительно-монтажных работ. При замене устаревших выкатных элементов на предлагаемые конструкция шкафов КР, схемы релейной защиты и блокировки остаются неиз­менными, что позволяет выполнить модернизацию КРУ с наименьшими затратами. Выкатные элементы с вакуумными выключателями серии ВР при необходимости могут выпол­няться практически для всех серий существующих КРУ, в частности в шкафах КРУ серии K-III-V, К-ХИ, K-XXVI, К-37, КРУ2-10, КМ-1Ф, КР-10 на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 630—1600 А, номинальный ток отключения 20 и 31,5 кА. Вакуумные выключатели серии ВРЗ, ВР6В, ВР6К конструктивно выполняются как выкат­ные элементы комплектных распределительных устройств. Это позволяет применять данные выключатели в новых ячей­ках, а также использовать для реконструкции уже сущест­вующих. Выключатели серии ВР6В предназначены для заме­ны выключателей серии ВЭ-6, ВЭЭ-6, ВЭС-6, ВЭЭС-6 в ячей­ках КЕ-6, КЕ-6С, КЕЕ-6 и КЕЕ-6С. Выключатели серии ВР6 предназначены для замены выключателей серии ВЭМ-6 в ячейках К-Х. Выключатели серии ВРЗ предназначены для замены выключателей ВВ (Э)-10 в ячейках КМ-1, КМ-1Ф, К-59, К-69, К-10У и др.

Наряду с вакуумными выключателями и выкатными элементами предприятие выпускает универсальные мо­дули. Универсальный модуль представляет собой монтаж­ный комплект, в состав которого входит выключатель вакуумный ВР, установленный на металлическом каркасе. Выключатель снабжен всем необходимым набором токоведу­щих шин. На выключателе смонтированы: элементы бло­кировки, управления, ‘контроля и защиты, которые встроены в привод выключателя или размещены на металличес­ком каркасе; устройство релейной защиты (ПРЗ), имеющее полный набор схем, который дает возможность реализо­вать эквивалентную замену любой из схем, применяющих­ся в приводах заменяемых масляных выключателей; огра­ничители перенапряжений (ОПН), устанавливаемые на модуле.

Опубликовано в СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector