CC BY
796
-------------------------------- © А.А. Базавлук, А.Р. Бакиров,
Д.А. Шкитов, 2011
УДК 621.311
А.А. Базавлук, А.Р. Бакиров, Д.А. Шкитов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ПРИ КОММУТАЦИЯХ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Показаны неблагоприятные и опасные для электрооборудования процессы в сетях средних классов напряжения во время коммутаций выключателей различных производителей. Процессы при коммутациях вакуумных и масляных выключателей принципиально отличаются друг от друга. Механических и электрических переходных процессы необходимо рассматривать в едином комплексе. Заявлены технические требования, которые рекомендуется предъявлять к вакуумным выключателям и предложена методика их проверки. Ключевые слова: вакуумные и масляные выключатели, коммутации, высокочастотные процессы, технические требования, испытания выключателей.
Вакуумные выключатели
1[Эакуумные выключатели (ВВ) в настоящее время являются -Я-М достаточно востребованным оборудованием в сетях средних классов напряжения. С самого начала использования вакуумных выключателей наблюдалось повреждение коммутируемого ими оборудования.
Повреждения вызываются неблагоприятными процессами, сопровождающими коммутации выключателей: перенапряжения, вызванные токами среза; эскалация перенапряжений в цикле высокочастотных (ВЧ) повторных пробоев; перенапряжения при включении в цикле ВЧ встречных пробоев; перенапряжения в результате виртуальных токов среза; ВЧ броски тока высокой амплитуды. Перечисленные процессы характерны только для выключателей с жесткими дугогасящими средами, в число которых входит вакуум. Высокие кратности перенапряжений опасны в первую очередь для электрических машин, уровень изоляции которых составляет порядка 2,8Uфм. Высокие частоты переходного процесса при коммутациях ВВ представляют серьезную опасность для витковой изоляции высоковольтного оборудования, кабельных муфт и кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ).
В настоящее время в полной мере решить проблему возникновения ВЧ перенапряжений при коммутации ВВ не удалось ни зарубежным ни отечественным производителям коммутационных ап-
паратов. По результатам исследований [1], активное внедрение ВВ в сетях 6-10 кВ горно-металлургических предприятий, привело к росту однофазных замыканий на землю (ОЗЗ), спровоцированных коммутационными перенапряжениями (КП). Там же указано, что число аварийных отключений, связанных с КП, возросло в среднем в 3,8 раза за 6 лет эксплуатации ВВ (2002-2008 гг.).
Основные составные части ВВ - вакуумная дугогасительная камера (ВДК) и привод, замыкающий/размыкающий контакты ВДК. При коммутациях в выключателях самые важные, с точки зрения КП, механические и электрические переходные процессы происходят в микросекундных диапазонах при расстояниях между контактами до 2 мм. Качество исполнения привода, а именно наличие люфтов, отсутствие дребезга, а также быстрая и, вместе с тем, плавная работа привода, синхронность и линейность движения полюсов выключателя влияют на механические переходные процессы. Механические процессы, в свою очередь, в совокупности с характеристиками ВДК влияют на электрические переходные процессы, т.е. определяют характеристики ВЧ процессов при коммутациях и их опасность. Таким образом, механические и электрические переходные процессы необходимо рассматривать в едином комплексе.
Требования и методика проверки характеристик ВВ
Вакуумные выключатели, как относительно новый вид коммутационного оборудования, требуют повышенного внимания со стороны производителей и эксплуатации, потому как для ВВ свойственны специфические переходные процессы, которые в других типах выключателей не наблюдаются. В электроэнергетике сложилась ситуация, что наиболее изношенное оборудование на подстанциях это выключатели. Доля отработавшего свой срок коммутационного оборудования составляет более 20 % [2]. Таким образом одним из первоочередных видов оборудования, которое будет заменено в ближайшее время вероятно станут коммутационные аппараты. На смену масляным выключателям в средних классах приходят вакуумные и элегазовые.
Учитывая связь роста аварийности в электрических сетях с внедрением ВВ необходимо разработать и обосновать единые Таблица 1
Требования к ВВ__________________________________________________
Характеристики | Значение
Электрическая прочность ВДК при разведенных контактах, не менее, кВ/мм 30
Неодновременность замыкания полюсов, не более, мс 1
Неодновременность размыкания полюсов, не более, мс 1
Скорость движения контактов не менее, м/с при включении при отключении 1,2 1,5
Характеристики дребезга Отсутствие
Переходное сопротивление контактов, не более, мкОм 40
Ток среза, не более, А 3,5-5
Уровень вакуума, не более, Па 10'4
Продолжительность повторных пробоев, мкс 50
Электрическая прочность ВДК до 2мм, не менее, кВ/мм 35
Скорость изменения пробивного напряжения, не менее, кВ/мс при включении при отключении 60 75
технические требования к вакуумным выключателям, как к выключателям с наиболее жесткой дугогасящей средой. Требования должны содержать новые и пересмотренные характеристики ВВ, содержащиеся в ГОСТ Р 52565 - 2006. Данные технические требования в первую очередь ограничат выход на рынок некачественного оборудования, оборудования кустарного производства, и будут стимулировать отечественных производителей к повышению качества производства.
По утверждению некоторых производителей ВВ является аппаратом, который не требует периодических проверок. Однако опыт их применения говорит об обратном.
Табл. 1 содержит требования к характеристикам ВВ со значениями, которых вполне можно достичь на стадии современного производства. Любое из этих требований выполнено хотя бы в одном из ВВ, но сочетание всех требований в встречается лишь в зарубежных выключателях.
Так же необходимо разработать соответствующую методику, которая будет дополнять методику для оценки характеристик выключателей с дугогасящими средами, использующимися ранее, и содержать новые разделы, рассчитанные на оценку характеристик тех параметров, которые присущи именно ВВ. Необходимо оценивать характеристики ВДК как отдельно, так и в составе выключателя.
Для получения более полной и наглядной информации необходимо осциллографировать переходные процессы при коммутациях ВВ. Для этого необходимо создать стенд, позволяющий коммутировать установленную нагрузку(нагрузки) и осциллографировать переходные процессы в различных частях схемы, что позволит измерять величину ток среза, перенапряжения в различных узлах схемы, продолжительность встречных пробоев, скорость изменения пробивного напряжения, электрическую прочность на расстояниях до 2 мм и т.д.
Электрическая прочность ВДК при расстоянии между контактами до 2 мм
Зависимость пробивного напряжения от расстояния между контактами для вакуума нелинейна [3], поэтому электрическая прочность на расстояниях до 2 мм, при которых происходят самые важные процессы при коммутациях, отличается от электрической прочности при разведенных контактах.
Электрическую прочность ВДК на малых расстояниях между контактами в составе выключателя определять в собранном выключателе. Предполагается опредлять электрическую прочность по встречным пробоям из осциллограмм при включении, измеряя скорость изменения пробивного напряжения. Далее в соответствии со скоростями движения контактов пересчитывается электрическая прочность при расстояниях до 2 мм.
Скорость изменения пробивного напряжения
Скорость изменения пробивного напряжения является произведением электрической прочности при расстояниях до 2 мм и скорости движения контактов.
Скорость изменения пробивного напряжения может быть оценена из осциллограмм, полученных при коммутациях ВВ.
Продолжительность встречных пробоев
Характеристика зависящая от скорости изменения пробивного напряжения, которая может быть оценена из осциллограмм при коммутациях на стенде.
Ток среза
В настоящее время в вакуумных выключателях применяются контакты из современных материалов (в основном сплав меди и хрома в различных соотношениях). В выключателях в которых установлены такие ВДК нет больших токов среза и соответственно от токов среза нет больших перенапряжений вызванных непосред-268
ственно токами среза. Но срез тока является фактором вызывающим эскалацию перенапряжений, поэтому необходимо стремиться к уменьшению его значения. Величина тока среза зависит от материала контактов.
Величину тока среза необходимо оценивать на испытательном стенде с помощью осциллографа, регистрируя при этом ток через выключатель и перенапряжения со стороны нагрузки. Исходным параметров амплитуда действующего тока.
Уровень вакуума
Одним из факторов влияющих на электрическую прочность является давление в ВДК.
Уровень вакуума оценивается по величине ионного тока.
Электрическая прочность ВДК при разведенных контактах, не менее, кВ/мм
При разведенных контактах влияние состояния контактов на электрическая прочность ВДК уменьшается, а влияние уровня вакуума растет.
Неодновременность замыкания/размыкания полюсов при включении при включении/отключении
В процессе коммутации в случае неодновременности замыкания либо размыкания контактов возникает кратковременный неполнофазный режим, во время которого могут происходить перенапряжения высокой кратности. С увеличением неодновремен-ности замыкания контактов перенапряжения увеличиваются.
Данная характеристика является механической и может оцениваться прибором ПКВ.
Скорость движения контактов
Одним из важнейших параметров является скорость движения контактов ВДК, которая вместе с электрической прочностью ВДК, определяет скорость изменения пробивного напряжения, которая, в свою очередь, определяет продолжительность встречных пробоев при включении и повторных пробоев при отключении, когда время между началом расхождения контактов и моментом перехода отключаемого тока промышленной частоты через ноль мало. С увеличением скорость движения контактов уменьшается длительность воздействия ВЧ перенапряжений и вероятность возникновения эскалации перенапряжений.
Данная характеристика является механической и может оцениваться прибором ПКВ.
Характеристики дребезга
В случае отсутствия достаточного демпфирующего эффекта при столкновении контактов они могут отскакивать. При этом происходит обрыв тока дуги с возникновением единичных и множественных ВЧ повторных пробоев.
Характеристики дребезга являются механическими и могут оцениваться прибором ПКВ, в том числе при плановых испытаниях.
Переходное сопротивление контактов в ВДК
Переходное сопротивление контактов в ВДК важно отслеживать не только потому, что оно является показателем состояния контактов, но и потому, что оно само по себе влияет на изменение состояния контактов в процессе эксплуатации. Тепловой режим соприкасающихся контактов при высоком значении переходного сопротивления способствует диффузии металлов, которая усиливается действием пружины поджатия. Эффект холодной сварки контактов влечет за собой режимы отключения ВВ, в которых состояние поверхности контактов деградирует.
В требованиях также необходимо указать элементы конструкции выключателя, которые обеспечат универсальное подключение к выключателям устройства проверки механических и электрических характеристик.
Испытания (там, где это применимо) должны содержать достаточную выборку и различные конфигураций исходных параметров.
Сравнительные испытания отечественных выключателей
В 2010 году совместно с сотрудниками новосибирской ТЭЦ-4 состоялись сравнительные испытания выключателей, коммутировавших электродвигатель шаровой мельницы мощностью 800 кВт, соединенный с выключателем кабелем с бумажно-маслянной изоляцией длиной около 100 метров. Целью работы была оценка переходных процессов при коммутациях и сравнительный анализ характеристик ВВ различных отечественных производителей: ОАО «ЭЛКО» (г. Минусинск, выключатель ВВТЭ-М-10-20/630); ОАО «Таврида-электрик» (г. Москва, выключатель BB/TEL-10-20/1000); ОАО «НПП Контакт» (г. Саратов, выключатель ВБП-10-20/630). В ходе испытаний коммутировался также маломасляный выключатель ВМП-10-20/600.
Особенностью испытаний проведенных на новосибирской ТЭЦ-4 является осциллографирование переходных процессов при 270
коммутациях выключателей на одну и ту же нагрузку. В ходе коммутаций осциллографировались напряжения на шинах секции КРУ-6 кВ, напряжения в начале кабельной линии (КЛ) непосредственно за выключателем, напряжения в конце КЛ непосредственно у двигателя, токи через ОПН и токи в КЛ. Схемы измерений представлены на рис. 1. Характерные осциллограммы переходных процессов представлены на рис. 2-5. На рис. 6 представлена зависимость продолжительности встречных пробоев от скорости падения пробивного напряжения.
В табл. 2 отражены основные значимые характеристики переходных процессов при коммутациях ВВ и то, насколько опасны по нашему мнению отраженные в ней величины (красный цвет - наибольший уровень опасности, оранжевый цвет - средний уровень опасности, зеленый цвет - низкий уровень опасности).
Кратности перенапряжений в начале КЛ при коммутациях не превышают 2,0Uфм, что ниже уровня ограничения ОПН, поэтому установка ОПН непосредственно за выключателем не оправдана. Перенапряжения в конце КЛ (непосредственно у двигателя) больше, чем в начале КЛ (непосредственно за выключателем) за счет волновых процессов в контуре «емкость кабеля - индуктивность двигателя» и лежат выше уровня ограничения ОПН. В связи с этим аппараты типа ОПН необходимо по возможности устанавливать в конце кабельной линии непосредственно у защищаемого объекта
[3].
Большей скоростью замыкания контактов среди ВВ обладает выключатель ВВТЭ-М-10-20/630, что повысило скорость падения электрической прочности и уменьшило продолжительность встречных пробоев, но негативно отражается на параметрах дребезга контактов при включении, во время которого множественные пробои в ВДК вновь имеют место (рис. 4, б). Скорость замыкания контактов в выключателе ВМП-10-20/1000 гораздо больше чем у исследованных ВВ, поэтому дребезг контактов при включении имеет наибольшие значения, однако пробои при включении отсутствуют, что связано с характером дугогасящей среды.
КРУ-6 кВ Секция ЭРА
Яч. 57
КРУ-6 кВ Секция ЭРА
Резервная ячейка
Двигатель шаровой мельницы ШМ-9Б
а)
2 комплект ДН
б)
Рис. 1. Схемы подключения измерительного оборудования для исследования переходных процессов при коммутациях электродвигателей ШМ-9Бяч. 57КРУ-6 кВ с подключенными (а) и отключенными (б) ОПН
Рис. 2. Характерная осциллограмма фазных напряжений на фидере ШМ-9Б в конце КЛ непосредственно у двигателя при включении ВВ/ТЕЬ-10-20/1000
Рис. 3. Характерные осциллограммы фазных напряжений на фидере ШМ-9Б в конце КЛ непосредственно у двигателя при включении ВБП-10-20/630
• 1 -
СН2 0.0000 V
5.0000 V
-5.0000 V -5.0000 V -5.0000 ________________-Ь.ШЮУ
[И.ООиз/^7]
0,05 мс/дел
N0.0000 -0.0000310
Рис. 4. Характерные осциллограммы фазных напряжений на фидере ШМ-9Б в конце КЛ непосредственно у двигателя при включении ВВТЭ-М-10-20/630: а) - встречные пробои во время сближения контактов, б) - множественные пробои во время отскока контакта
5.0000 1СНЗ г М 0 :Н1 5.0000 V СН2 5.0000 V СНЗ. . . . 5.0000V 5,3 кВ/де/ [гоо.оин/ач] с/дел
0,2 ал
\ / \
Иг —
0п <<<
N<>.0000 А 0013558 И 0 0006442
Рис 5 Характерные осциллограммы фазных напряжений на фидере ШМ-9Б в конце КЛ непосредственно у двигателя при включении ВМП-10-20/600
Рис. 6. Зависимость продолжительности встречных пробоев от скорости падения пробивного напряжения
В выключателях ВВ/ТЕЬ-10-20/1000 и ВБП-10-20/630 дребезг контактов, приводящий к обрыву дуги тока, отсутствует, что связано с низкой скоростью замыкания контактов, но количество встречных пробоев при этом значительно увеличивается.
Наибольшее значение неодновременности при замыкании соответствует выключателю BB/TEL-10-20/1000, что, вероятно, объясняется отсутствием механической связи между полюсами (каждый полюс выключателя приводится в движение собственным электромагнитом). Максимальная неоновремен-ность замыкания выключателя ВМП-10-20/600 более 1 мс, что ,вероятно, вызвано, как и высокие параметры дребезга, большим сроком эксплуатации выключателя (более 40 лет).
Перенапряжения при отключении на превышают 1,9 ифм, что объясняется низкими токами среза. Величина тока среза в современных ВВ благодаря подбору оптимального материала для изготовления контактов не превышает 3,5 - 5 А. Такие малые значения токов среза непосредственно не вызывают перенапряжений высоких кратностей.
иг
Таблица 2
Основные значимые характеристики выключателей, полученные в ходе исследований (средние значения)
Характеристика/ выключатель ВБП-10-20/630 ВВ/ТЕL-10-20/1000 ВВТЭ-М-10-20/630 ВМП-10-20/600
Скорость контактов при замыкания, 0,66 0,94 1,26 3,38
м/с (красный) (оранжевый) (зеленый) (зеленый)
Скорость падения пробивного напряжения, кВ/мс (длительность встречных пробоев, мкс) 12,4 (192,0) (красный) 35,8 (135,7) (оранжевый) 66,5 (43,8) (зеленый) - (0) (зеленый)
Скорость контактов при размыкании, 1,05 0,63 1,17 3,83
м/с (оранжевый) (оранжевый) (зеленый) (зеленый)
Скорость возрастания пробивного напряжения, кВ/мс 19,7 (оранжевый) 24,1 (оранжевый) 61,8 (зеленый) 7,02 (оранжевый)
Дребезг Отсутствует (зеленый) Отсутствует (зеленый) Присутствует (красный) Присутствует (оранжевый)
Средняя кратность перенапряжений при включении 3,34ифм (красный) 2,97ифм (оранжевый) 1,89ифм (зеленый) 2,55ифм (зеленый)
Неодновременность замыкания кон- 150 430 320 1150
тактов, мкс (зеленый) (зеленый) (зеленый) (оранжевый)
Ток среза, А 3,3 (зеленый) 2,7 (зеленый) 2,9 (зеленый) 2,35 (зеленый)
Переходное сопротивление контак- 38-44 37-41 35-39 55-185
тов, мкОм (зеленый) (оранжевый) (зеленый) (красный)
Электрическая прочность до 2 мм, 18,8 38,1 52,8 1,8*
кВ/мм (красный) (зеленый) (зеленый) (зеленый)
* электрическая прочность в масляном выключателе при отключении фактически является электрической прочностью остывающих после горения дуги газов, находящихся под высоким давлением.
Поскольку повышение напряжения при срезе тока имеют место, срез тока является характеристикой влияющей на вероятность возникновения эскалации перенапряжений при отключении, поэтому необходимо стремиться к его уменьшению, не ухудшая тем самым отключающую способность ВВ.
Выводы
Вакуумные выключатели, исследованные в данной работе обладают в целом удовлетворительными характеристиками, однако для повышения безаварийной работы электрооборудования необходимо выполнить доработки каждого типа выключателя. В выключателе ВВТЭ-М-10-20/630 необходимо устранить дребезг контактов, в ВВ/ТЕL-10-20/1000 и ВБП-10-20/630 необходимо увеличить скорость движения контактов при включении и отключении, кроме того в ВБП-10-20/630 необходимо улучшить характеристики
вдк.
При коммутации масляного выключателя встречных ВЧ пробоев не зарегистрировано - это связано с тем что масло более мягкая дугогасящая среда в связи с чем при переходе через ноль ток высокой частоты не гасится и дуга продолжает гореть до полного замыкания контактов. При отключении же дуга до перехода через ноль горит длительное время и происходит испарение масла с образованием газов под высоким давлением, которые теперь уже является жесткой дугогасящей средой, в связи с чем наблюдается некоторое количество повторные пробоев при отключении. Повторные пробои в масляном выключателе имеют длительность и не вызывают эскалацию поскольку. Это связано с тем, что во время повторных пробоев газы остывают, так как нет постоянного воздействия тока промышленной частоты и их давление, а соответственно и дугогасительная способность уменьшается.
После рассмотрении всех достоинств и недостатков выключателей различных типов, учитывая результаты, полученные в данной работе, нельзя ставить точку в том, что жидкостные выключатели морально устарели и пришло время выключалелей с вакуумной и газовыми дугогасительными средами.
Необходимо разрабатывать требования к различным типам выключателей, определять область их применения и учитывать возможность использования в будующем в качестве дугогасительной среды жидкие синтетические материалы.
1. Кудрявцев А.А. Исследование аварийности в сетях 6-10 кВ горнометаллургических предприятий.// Новости ЭлектроТехники. - 2009. - №6(60).
2. Назарычев А.Н. Анализ основных преимуществ применения вакуумных выключателей.// Энергоэксперт. - 2007. - №4-5.
3. Дягтерев И.Л. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов, сопровождающих коммутации вакуумных выключателей. - Автореферат дисс. канд. техн. наук: 05.14.12 / И.Л. Дегтярев - Новосибирск, 2006. - 21 с. Н5Н=Д
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Базавлук Артем Александрович - инженер научно-исследовательского отдела ООО «Болид», [email protected]
Бакиров Альберт Робертович - доктор технических наук, профессор, каф. ЭЭГП, ARB akirov@rambler. ru
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
Шкитов Денис Александрович - главный технолог Управления энергетики Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО «Г азпром», d. shkitov@adm. gazprom.ru
