Aviatreid.ru

Прокат металла "Авиатрейд"
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сравнение вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения — Выполнение коммутационных задач

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

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:
Шкаф защит присоединений для обходного выключателя

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.

Методические указания по применению ограничителей перенапряжений нелинейных в электрических сетях 6-35 кВ /

Разработано: ОАО «Институт «Энергосетьпроект»», ОАО ВНИИЭ, НТК «ЭЛ-ПРОЕКТ» при участии ОАО «Институт Теплоэнергопроект».

Исполнители:

Ю.И. Лысков, Н.П. . Антонова, О.Ю. Демина, А.В. Зуева — ОАО «Институт Энергосетьпроект»

К.И. Кузьмичева, Н.Н. Беляков — ОАО ВНИИЭ

Подьячев В.Н. — ОАО «Институт Теплоэнергопроект»

A.Г. Тер-Газарян — НТК «ЭЛ-ПРОЕКТ»

Утверждено: Департаментом научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России» 27.04.01 г.

1. Введение.

Необходимость создания методического документа, определяющего применение и выбор параметров ограничителей для защиты оборудования в электрических сетях 6 — 35 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений, обусловлена следующими причинами:

· В России заводы практически прекратили выпуск вентильных разрядников, перейдя на выпуск ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН). Основным их отличием от разрядника являются: отсутствие искровых промежутков и, соответственно, постоянное подключение к сети, а также более высокая нелинейность вольтамперной характеристики. За счет этих факторов ограничитель находится все время под напряжением сети и ток, протекающий через него, меняется от десятых долей миллиампера в нормальном режиме работы сети до сотни и тысячи ампер при воздействии коммутационных и грозовых перенапряжений. Поэтому выбор ограничителя определяется энергетическими воздействиями на него в коммутационных, грозовых и иных режимах (повышения напряжения в рабочих режимах, квазистационарных перенапряжениях).

· ОПН для электрических сетей 6 — 35 кВ, представленные на российском рынке, изготовляются различными заводами как на основе собственных конструкторских решений, так и по лицензиям международных электротехнических концернов.

Читайте так же:
Удаленное управление автоматического выключателя

Поэтому ОПН разных заводов-изготовителей, предназначенные для применения в одном классе напряжения, имеют отличающиеся характеристики, что должно быть учтено при выборе.

· Отечественные сети 6 — 35 кВ работают, в основном с изолированной или заземленной через дугогасительный реактор нейтралью, поэтому условия работы ОПН в этих сетях отличаются от сетей 110 — 750 кВ большими величинами и длительностями коммутационных и квазистационарных перенапряжений.

2. Назначение и область применения.

Настоящие «Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 6 — 35 кВ» (далее Указания), определяют применение и выбор основных параметров и типа ограничителей в воздушных, кабельных и смешанных сетях 6 — 35 кВ, а также в сетях собственных нужд (СН) станций с учетом режимов заземления нейтрали, компенсации емкостного тока замыкания на землю, работы релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Настоящие указания не распространяются на выбор ОПН для установки в сетях генераторного напряжения блоков генератор-трансформатор.

Порядок действий при выборе ОПН, изложенный в настоящих Указаниях, может применяться при выборе ОПН любой фирмы. В качестве справочного материала в Приложении 1 приведены основные характеристики ОПН, выпускаемых различными производителями по техническим условиям, согласованным с РАО «ЕЭС России» [5, 6, 8, 10 — 14].

Указания предназначены для использования персоналом проектных и эксплуатационных организаций РАО «ЕЭС России», АО-энерго и электростанции, а также электросетевых объектов 6 — 35 кВ промышленных предприятий для определения требуемых характеристик и выбора по ним типа ограничителя перенапряжений в зависимости от условий его работы в месте установки при плановой замене разрядников, техперевооружении, реконструкции и проектировании новых распределительных устройств (РУ).

3. Определения и обозначения.

3.1 . Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН, далее ограничитель), является одним из основных элементом системы защиты от перенапряжений, обеспечивающим защиту оборудования распределительного устройства (РУ) и линий от грозовых и коммутационных перенапряжений.

3.2 . В настоящем документе использована следующая терминология:

3.2.1 . Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя — наибольшее действующее значение напряжения промышленной частоты, которое не ограничено, долго может быть приложено между выводами ограничителя. Обозначение — U НРО , кВ действ. (в каталогах зарубежных фирм — U С ).

3.2.2 . Временно допустимое повышение напряжения на ограничителе — наибольшее действующее значение напряжения промышленной частоты, превышающее U НРО , которое может быть приложено к ОПН в течение заданного изготовителем времени, не вызывая повреждения или термической неустойчивости. Обозначение — U ВНО , кВ действ.

Нормируемые изготовителями зависимости U ВНО от их допустимой длительности приведены в виде линейных зависимостей «напряжение промышленной частоты — время» в полулогарифмическом масштабе в Приложении 2. Значения U ВНО даны в долях U НРО . Часть производителей приводит такие характеристики как для случая «с предварительным нагружением» аппарата прямоугольным импульсом тока длительностью 2000 мкс, так и без него.

3.2.3 . Номинальное напряжение ограничителя — действующее значение напряжения промышленной частоты, которое ограничитель может выдержать в течение не менее 10 с в процессе рабочих испытаний. Номинальное напряжение должно быть не менее 1,25 наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения.

3.2.4 . Остающееся напряжение ОПН ( U ОСТ ) — наибольшее значение напряжения на ограничителе при протекании через него импульсного тока с данной амплитудой и длительностью фронта.

3.2.5 . Защитный уровень ОПН при коммутационных перенапряжениях — остающееся напряжение на ограничителе при расчетном токе коммутационных перенапряжений. Обозначение — UoctK, кВ макс.

Нормируемая форма волны коммутационного импульса тока — 30/60 мкс или 1,2/2,5 мс.

3.2.6 . Защитный уровень ОПН при грозовых перенапряжениях — остающееся напряжение на ограничителе при протекании нормируемого тока грозовых перенапряжений. Обозначение — U остГ , кВ макс.

Нормируемая форма импульса тока — 8/20 мкс, амплитуда 5 кА.

3.2.7 . Номинальный разрядный ток ОПН — это максимальное значение грозового импульса тока 8/20 мкс, используемое для классификации ОПН. Обозначение — I ном , кА.

3.2.8 . Удельная энергия (энергоемкость) — рассеиваемая ограничителем энергия после нагрева его до 60 °С и последующего приложения одного нормируемого импульса тока отнесенного к 1 кВ наибольшего длительно допустимого рабочего (или номинального) напряжения ОПН.

Полная энергоемкость ОПН (ЭОПН) — произведение нормируемой производителем удельной энергоемкости на то напряжение, по отношению к которому она приведена (наибольшее рабочее длительно допустимое или номинальное напряжения ОПН). Обозначение — ЭОПН, кДж.

3.2.9 . Ток пропускной способности ОПН (ток большой длительности) — максимальное значение (амплитуда) прямоугольного импульса тока длительностью не менее 2000 мкс, которое прикладывается к ограничителю в процессе испытаний на пропускную способность 20 раз. Обозначение — I 2000 , А.

Значения ЭОПН и I 2000 (прямоугольного импульса тока большой длительности) для ОПН выпускаемых по согласованным с РАО «ЕЭС России» техническим условиям приведены в Приложении 1.

3.2.10 . Ток срабатывания противовзрывного устройства, т.е. устройства для сброса давления (I кз ОПН, кА) — наибольшее значение тока, при котором в случае внутреннего повреждения ОПН не происходит взрывного разрушения его покрышки или, при ее повреждении, разлет осколков ОПН находится внутри нормируемой зоны.

при коммутации элементов сети, сопровождающих внезапное изменение ее схемы или режима. Обозначение — U к , кВ макс. Описание основных видов коммутационных перенапряжений в сетях 6 — 35 кВ приведено в Приложении 3.

3.2.12 . Квазистационарные (временные) перенапряжения — перенапряжения промышленной или близкой к ней частоты, а так же перенапряжения на высших и низших гармониках, не затухающие или слабо затухающие, возникающие как следствие коммутации элементов сети (например, замыкании на землю, обрыве провода) и ликвидирующиеся действием релейной защиты или оперативного персонала. Возникновение, величина и длительность этих перенапряжений определяются сочетанием параметров сети. Обозначение — Uv, кВ действ. Описание основных видов квазиустановившихся в сетях 6 — 35 кВ приведено в Приложении 3 .

К этим перенапряжениям относятся резонансные и феррорезонансные перенапряжения на промышленной частоте, низших и высших гармониках, перенапряжения с медленно изменяющейся вследствие затухания или изменения параметров системы (например, ЭДС и индуктивностей генераторов) частотой или амплитудой.

3.2.13 . Режим заземления нейтрали. Отечественные сети 6 — 35 кВ работают с изолированной нейтралью, либо нейтралью заземленной через дугогасящий реактор (ДГР) или резистор.

Область применения ДГР определяется в соответствии с ПТЭ и ПУЭ.

Читайте так же:
Удлинитель с выключателем подключить провода

3.2.14 . Наибольшее эксплуатационное рабочее линейное напряжение в электрической сети — определяют как наибольшее возможное фазное напряжение сети, полученное на основе анализа регистрационных суточных записей или замеров при эксплуатации РУ за год, длительностью не менее 6 часов в сутки, повторяющееся не менее 2 раз в год. Обозначение — U СЕТИ , кВ действ.

4. Основные положения по выбору параметров ОПН.

4.1 . К основным выбираемым параметрам ограничителя относятся: наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, номинальный разрядный ток, энергоемкость, уровни остающегося напряжения при коммутационном и грозовом импульсе тока, величина тока срабатывания противовзрывного устройства, длина пути утечки внешней изоляции.

4.2 . Основные параметры ограничителя выбирают, исходя из назначения, требуемого уровня ограничения перенапряжений, места установки, а также схемы сети и ее параметров (наибольшего рабочего напряжения сети, способа заземления нейтрали, величины емкостного тока замыкания на землю и степени его компенсации, длительности существования однофазного замыкания на землю и т.д.).

4.3 . По назначению ограничители применяют для защиты оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений.

4.3.1 . В соответствии с ПУЭ при защите от грозовых перенапряжений ОПН устанавливают:

— в РУ 6 — 35 кВ, к которым присоединены ВЛ;

— в схемах грозозащиты вращающихся машин;

— на обмотках 6 — 35 автотрансформаторов,

— на обмотках 6 — 10 кВ трансформаторов, в случае установки молниеотводов на трансформаторных порталах.

4.3.2 . При защите от коммутационных перенапряжений ОПН могут быть установлены на присоединениях с вакуумными выключателями, коммутирующими вращающиеся машины и трансформаторы, а также в электроустановках, имеющих облегченную или ослабленную в процессе эксплуатации (например, у электродвигателей, кабелей) изоляцию.

5. Методика выбора основных параметров ОПН.

5.1. Выбор наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения ОПН.

5.1.1 . В сетях 6 — 35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока замыкания на землю и допускающих неограниченно длительное существование однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), наибольшее рабочее длительно допустимое напряжение ограничителя выбирается равным наибольшему рабочему напряжению электрооборудования для данного класса напряжения по ГОСТ 1516.3 . Их значения приведены в табл. 1 .

Перенапряжения в сетях 6(10) кВ

В России у эксплуатационного персонала предприятий электрических сетей сложилось довольно устойчивое мнение, что перенапряжения создают вакуумные выключатели, а элегазовые этого недостатка лишены. Но так ли это? Попробуем разобраться в причинах перенапряжений.

Причины возникновения перенапряжений в сетях

Начнем с простого утверждения, очевидного для любого человека, знакомого с курсом ТОЭ: любая коммутация (включение или отключение) какого-либо элемента сети (трансформатора, электродвигателя, конденсаторной батареи, воздушной или кабельной линии и т.д.) вызывает переходный процесс. Это связано с тем, что сеть является совокупностью индуктивностей и емкостей основного электротехнического оборудования, поэтому подключение или отключение некоторого элемента ведет к установлению нового режима. Переход сети от режима до коммутации к режиму после коммутации сопровождается изменениями токов в элементах и напряжений на них. Как правило, этот переход имеет вид затухающих колебаний, в процессе которых напряжение на емкостях оборудования относительно земли или между фазами может достигать величин значительно больших, чем номинальное. Это и называется перенапряжениями.

Вакуумный выключатель

Вакуумный выключатель ВБСК-10, ОАО «Электрокомплекс», г.Минусинск

Подобный процесс объективен и не зависит от типа используемого выключателя. Например, можно показать, что при включении (пуске) высоковольтного электродвигателя возможно возникновение перенапряжений с кратностью до 3,3 относительных единиц (о.е.) по отношению к амплитуде наибольшего рабочего напряжения [1], что представляет опасность для его изоляции. Перенапряжения в этом случае не зависят от типа дугогасящей среды и определяются только моментом включения и разбросом замыкания контактов разных фаз.

Вакуумный выключатель

Вакуумный выключатель 3AH5 Siemens, ССК «Уралинвестэнерго», г.Екатеринбург

Исключить эти перенапряжения регулировкой хода контактов выключателя не представляется возможным. При отключении выключателем любого типа (маломасляным, вакуумным, элегазовым, электромагнитным) практически каждого двойного или двухфазного замыкания на землю в сети 6-10 кВ с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью на все присоединения, включенные на данную секцию, воздействуют перенапряжения с кратностью до 3,4 о.е.

Вакуумный выключатель

Вакуумный выключатель ВБЭ-10-20/1600 УХЛ2, ГНПП «Контакт», г. Саратов

Причиной их является неодновременное отключение тока в поврежденных фазах, когда на первой отключившейся фазе напряжение восстанавливается от нуля до амплитуды линейного. При этом в процессе колебаний напряжение достигает величины двойного линейного. Именно эти перенапряжения могут вызывать многоместные повреждения изоляции (и такие случаи известны в эксплуатации), когда из строя выходят сразу несколько высоковольтных электродвигателей или кабелей. И дело тут не в типе дугогасящей среды, используемой в выключателе, а в объективно существующих явлениях.

Элегазовый выключатель

Элегазовый выключатель HD-4, АBB

Теперь рассмотрим проблему перенапряжений при использовании вакуумных и элегазовых выключателей с учетом особенностей дугогасящей среды и конструкций этих аппаратов, а также нагрузок, ими коммутируемых. При включениях нагрузки (трансформатора, электродвигателя, конденсаторной батареи) правильно спроектированным выключателем (не дающим отскоков контактов) его дугогасящая среда с точки зрения возникновения перенапряжений не играет никакой роли. Перенапряжения в этом случае обусловлены особенностями сети и коммутируемого присоединения как многоконтурных индуктивно-емкостных схем, моментом включения по времени и разбросом в замыкании контактов разных фаз выключателя (см. выше).

Основными причинами перенапряжений на изоляции отдельного присоединения (и только его, а не всей сети) при отключении нагрузки, связанными с особенностями дугогасящей среды и конструкцией выключателя, являются срез тока и эскалация напряжения. Рассмотрим эти явления по порядку.

Любой выключатель отключает ток при прохождении его через ноль (со сдвигом по времени в разных фазах), когда подвод энергии к дуге со стороны сети уменьшается. В околонулевой области тока возможен быстрый распад канала дуги и принудительный спад тока от некоторого значения (как правило, единицы – десятки ампер) до нуля за очень малое время (значительно раньше естественного нуля тока). Это явление называется срезом тока. Возникает оно при отключении малых индуктивных токов (например, токов холостого хода трансформаторов и электродвигателей), неустановившихся токов включения трансформаторов, пусковых токов электродвигателей, токов шунтирующих реакторов.

Срез тока характерен для выключателей любого применяющегося в настоящее время типа (маломасляных, электромагнитных, воздушных, вакуумных, элегазовых). Причиной среза тока в выключателях с гашением дуги в газовой среде являются интенсивное дутье и развитие высокочастотных колебаний на спадающем участке синусоиды отключаемого тока [2]. Дутье вызывает значительное охлаждение плазмы в дуговом промежутке и быстрое уменьшение ее проводимости. Высокочастотные колебания, развивающиеся в контуре: емкость на шинах – нелинейное сопротивление дуги – индуктивность и емкость присоединения, налагаются на ток 50 Гц и приводят к тому, что суммарный ток в дуговом промежутке переходит через ноль и происходит гашение со срезом. В вакуумных выключателях причиной среза тока является неустойчивость дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов.

Читайте так же:
Legrand автоматические выключатели каталог pdf

Относительные токи среза выключателей с разными дугогасящими средами

Рис.1 Относительные токи среза выключателей с разными дугогасящими средами

Как видно из рис.1, вакуумные выключатели с хром-медными контактами имеют наименьший ток среза. Он составляет 5-6 А по данным различных исследований, информация о которых приведена в [4]. Большинство производителей вакуумных выключателей используют для изготовления контактов именно хром-медные композиции. Элегазовые выключатели с гашением дуги вращением (rotary-arc type) или автодутьём (self-pressurising type) имеют ток среза практически такой же, как и вакуумные выключатели. Это связано с тем, что интенсивность дугогашения у них зависит от величины протекающего тока. У компрессионных (puffer type) и комбинированных элегазовых выключателей с дополнительным поршнем токи среза выше, чем у вакуумных выключателей. В принципе ток среза элегазовых выключателей зависит от величины отключаемого тока, конструкции выключателя и емкости присоединения и может значительно превышать таковой для вакуумных [2]. Таким образом, с точки зрения величины тока среза и создаваемых при этом перенапряжений элегазовые выключатели не имеют никаких преимуществ перед вакуумными.

Кроме величины тока, на перенапряжения при срезе, как уже указывалось выше, влияют индуктивность нагрузки (или мощность) и емкость присоединения (длина воздушной или кабельной линии). При значительной длине присоединения перенапряжений из-за среза тока в выключателе вообще не возникает. Наличие даже небольшой активной нагрузки на вторичной стороне отключаемого силового трансформатора также исключает возникновение перенапряжений по причине среза.Использование таких современных защитных аппаратов, как ОПН, вообще снимает вопрос перенапряжений вне зависимости от типа используемого выключателя. Следует отметить, что в настоящее время в сетях эксплуатируются тысячи маломасляных выключателей с токами среза гораздо больше, чем у вакуумных выключателей. То есть потенциально маломасляные выклю- чатели также способны создавать перенапряжения и причем более высокие, чем вакуумные.

Эскалация напряжения

Рассмотрим теперь вторую причину перенапряжений при отключениях нагрузки: эскалацию напряжения. Это явление характерно только для вакуумных выключателей. Однако оно возникает крайне редко, только при отключении пускового тока не успевших развернуться или заторможенных электродвигателей (причем из 100 отключений пусковых токов только 5-10 могут сопровождаться эскалацией напряжения). Физическая сущность этого явления описана в [4]. Перенапряжения в этом (и только в этом) случае могут достигать 6-7-кратных. Осциллограмма (заимствована из [5]), иллюстрирующая подобный процесс, приведена на рис.2.

Экспериментальная осциллограмма отключения пускового тока электродвигателя

Рис.2. Экспериментальная осциллограмма отключения пускового тока электродвигателя 6,3 кВ, 736 кВт, подключенного кабелем сечением 3х95, длиной 70 м, вакуумным выключателем с возникновением эскалации напряжения с кратностью 4,0 о.е. в первой отключаемой фазе выключателя [5].

Масштаб: 100 мксек, 5 кВ.

Экспериментальных данных по отключению пусковых токов электродвигателей элегазовыми выключателями практически нет. Создается впечатление, что фирмам – производителям элегазового оборудования неизвестно о перенапряжениях в этом случае, либо публикация таких данных им невыгодна.

Исходя из имеющейся информации [4], можно предполагать, что элегазовые выключатели не склонны к эскалации напряжения. Однако их повышенные по сравнению с вакуумными выключателями токи среза и возможность однократных повторных зажиганий, вероятно, могут быть причиной перенапряжений при отключениях холостых трансформаторов и пусковых токов электродвигателей (при малых длинах кабеля).

Еще раз отметим, что рассмотренный случай отключения пускового тока – достаточно редкое событие, а в некоторых случаях практически невозможное. Поэтому сопоставление элегазовых и вакуумных выключателей с точки зрения коммутационных перенапряжений следует проводить исходя из величины тока среза.

Таким образом, на основании рассмотрения характерных причин возникновения перенапряжений, связанных с характером дугогасящей среды выключателя, можно утверждать, что элегазовые выключатели в этом отношении не имеют преимуществ по сравнению с вакуумными.

Откуда же все-таки возникло такое предубеждение, что только вакуумные выключатели создают перенапряжения? По-видимому, истоки его следует искать на заре внедрения вакуумной коммутационной техники. В первых вакуумных выключателях, установленных в эксплуатацию еще в СССР в начале 80-х годов, для изготовления контактов использовался вольфрам. Разработчики вакуумных камер полагали, что применение этого тугоплавкого металла позволит снизить износ контактов. Однако выключатели с вольфрамовыми контактами были способны создавать значительные срезы тока, порядка 20-30 А. Именно это обстоятельство, а также отсутствие средств защиты от перенапряжений в сетях 6-10 кВ в то время привело к значительному ущербу в результате пробоев изоляции. Энергетика – отрасль консервативная, и однажды сформировавшееся мнение, а особенно отрицательное, очень сложно изменить.

1. Васюра Ю.Ф., Гавриков В.И., Евдокунин Г.А. Коммутационные перенапряжения на высоковольтных двигателях собственных нужд электростанций // Электротехника. — 1984. — № 12. — С. 4-7.

2. Working group paper: Interruption of small inductive currents (chapter 1, 2) // Electra. — 1980. — № 72. — pp. 73-103.

3. Headley A. Meeting system requirements with modern switchgear // Proceedings IEEE Symp. on trends in modern switchgear design 3,3-150 kV. — Newcastle. — 1984. — pp. 9.1-9.5.

4. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения. — С.-Петербург: Издательство Сизова М.П., 2002. — 147 с.

Ограничитель перенапряжения ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

Ограничитель перенапряжения ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

1. Варисторы – высоконелинейные резисторы объемного типа, применяемые в ОПН, имеют резконелинейную вольтамперную характеристику, обладают высокой стабильностью, которая не изменяется в процессе длительной эксплуатации ОПН.
2. Безинерционное отслеживание перепадов напряжений.
3. Большое быстродействие срабатывания ОПН при коммутационных и грозовых напряжениях.
4. Отличные пиковые электрические характеристики в широком диапазоне рабочей темпе ра- туры.
5. Применение варисторов в одноколонковом исполнении позволяет обеспечить особенно глубокое ограничение напряжений и, соответственно, более высокую надежность работы высоковольтного оборудования и улучшение качеств параметров электрических сетей.
6. Уменьшение габарита и веса ОПН в 10…20 раз позволяет установить их непосредственно на выводах трансформаторов, электродвигателей, в ячейках КСО и КРУ, подстанциях, электрофицированном транспорте.
7. Обеспечена возможность создания одноколонковых ОПН на все классы напряжений, при этом максимально используется объем корпуса аппарата, что также значительно снижает массу ОПН по сравнению с многоколонковыми ОПН и существенно повышает надежность работы.
8. Технология производства стеклопластиковых корпусов или однонаправленных стержней с нанесением на них защитного ребристого покрытия (оригинальной формы) позволяет выпускать ОПН в одноэлементном исполнении 1…3 м. При больших классах напряжения сети ОПН составляют из двух или трех частей (модулей). Такая конструкция обеспечивает минимальную металлоемкость и высоту ОПН и повышает надежность работы ОПН при увлажнении и загрязнении поверхности аппарата.
9. Высокая механическая прочность и малая масса ОПН позволяет устанавливать их не только на подстанциях, но и непосредственно на линиях электропередач (ЛЭП) без усиления конструкции опор. При этом появляется возможность ограничения грозовых перенапряжений на отдельные опоры высоковольтных сетей, например, на изолирующей подвеске переходов через водные препятствия большой ширины, на пересечениях двух линий, когда приходится применять опоры увеличенной высоты, либо в случаях, когда сопротивление заземления отдельных опор имеет повышенное значение по сравнению с другими опорами (скалистый грунт, песок и т.д.).
10. Эффективно применение ОПН на подходах к подстанциям для ограничения грозовых перенапряжений.
11. Применение подвесных ОПН на ЛЭП позволяет обеспечить практически ровное ограничение коммутационных перенапряжений вдоль линий электропередач любой длины.
12. Применение ОПН для вновь создаваемых ЛЭП позволит существенно изменить высоту опор, снизить их габариты и металлоемкость.
13. В настоящее время применение фарфора в качестве конструкционного материала ОПН оценивается технически необоснованным из-за увеличивающихся требований по уменьшению массо-габаритных показателей и взрывобезопасности.
14. ОПН в полимерных корпусах не требуют обслуживания, не повреждаются при транспортировке и хранении. Малые массо-габариты ОПНп позволяют легко выполнять монтаж при минимальном использовании техники.

Читайте так же:
Трехфазный автоматический выключатель с25

Сертификат ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

Сертификат ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

Чертеж и габаритные размеры ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

Чертеж и габаритные размеры ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

Ограничители перенапряжения для вакуумных выключателей

Теория применения ОПН для ограничения перенапряжений

При коммутации вакуумными выключателями индуктивных токов (например, при отключении мало нагруженных трансформаторов и пусковых токов электродвигателей) возникают перенапряжения, вызванные срезом тока до его перехода через нуль, а также повторными пробоями межконтактного промежутка, обусловленными высокой скоростью нарастания напряжения на размыкаемых контактах выключателя.
В процессе отключения в межконтактном промежутке выключателя возникает вакуумная дуга, горящая в парах металла контактов. Вследствие высокой скорости нарастания электрической прочности межконтактного промежутка в вакууме в процессе размыкания контактов дуга гаснет до перехода тока промышленной частоты через нуль, т. е. происходит срез тока. В результате такого среза тока энергия, запасенная в индуктивных элементах фидера (например, в индуктивности электродвигателя и питающего его кабеля), вызывает повышение напряжения в образующемся колебательном контуре L — С, которое может привести к пробою изоляции электрооборудования.

Георгий Александров, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электрические и электронные аппараты», Санкт-Петербургский государственный технический университет

Расчет величины перенапряжения

Для того чтобы оценить возможные величины перенапряжений, возникающих в различных конкретных случаях применения вакуумных выключателей, рассмотрим процесс отключения вакуумным выключателем фидера, питающего двигатель через кабель (рис.1). Эквивалентная схема такого присоединения приведена на рис.2, где кабель заменен его эквивалентной Т — схемой, а двигатель — его индуктивным и активным сопротивлением.
Пусть обрыв тока произошел в момент времени, предшествующий переходу тока через нуль на время t. При этом энергия, запасенная в элементах присоединения (кабеле и двигателе), равна:

где Um и Im – амплитуды напряжения и тока в предшествующем отключению режиме, w -угловая частота сети.
В предшествующем отключению режиме связь между током и напряжением в точке 1 определяется простым соотношением:

поскольку R/w(Lд + LК ) очень мало.
С учетом (2) соотношение (1) может быть переписано в виде:

где собственная частота колебательного контура, образовавшегося в момент времени t отключения выключателя,

Далее необходимо определить величины LK и Lд. Связь между индуктивностью LK и емкостью С кабеля определяется соотношением:

где LK.0 и С — индуктивность и емкость кабеля на единицу его длины, V — скорость распространения электромагнитной волны вдоль кабеля, приблизительно равная скорости света 3*10 8 м/с.

(6)

и

(7)

Где l — длина кабеля. Индуктивное сопротивление двигателя в номинальном режиме его работы можно определить через его номинальную мощность и номинальное напряжение:

(8)

Следовательно, согласно (4), (7), (8)

(9)

Как видно, при увеличении мощности двигателя отношение w / w значительно увеличивается, а при увеличении длины кабеля — существенно уменьшается. При этом возможное отношение частот ограничивается диапазоном 15 w / w w / w первый максимум напряжения может быть оценен без учета рассеяния энергии в активном сопротивлении колебательного контура. Запасенная колебательным контуром энергия согласно (3) в момент перехода тока колебательного контура через нуль равна энергии в емкости С:

откуда отношение максимума перенапряжений к амплитуде номинального напряжения фидера равно:

При w t= 5° в момент обрыва тока согласно (9) получаем:

Защиту электрооборудования от перенапряжений обеспечит ОПН

Рис. 2. Однолинейная эквивалентная схема фидера: С — емкость кабеля, L и R -индуктивность и активное сопротивление двигателя.

Основные характеристики ОПН

Наименование параметровЗначение параметров
1. Класс напряжения, кВ361015202435
2. Наибольшее длительно допустимое напряжение на ограничителе, кВ3,67,21217,52426,540,5
3. Номинальный разрядный ток, кА5-105-105-105-105-105-105-10
4. Остающееся напряжение при грозовых импульсах тока 10 кА, не более, кВ12,625,141,560,48391,4138
5. Расчетный ток коммутационных перенапряжений (максимальное значение), А300/400300/400300/400300/400300/400300/400300/400
6. Остающееся напряжение при расчетном токе коммутационных перенапряжений, кВ8,817,629,242,758,66574,1
7. Длина пути тока утечки, м0,110,2250,370,560,7450,8221,26

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

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector