CC BY
162
УДК 621.311
УЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ КОММУТИРУЕМОГО ТОКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО КОММУТАЦИОННОГО РЕСУРСА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
© Г.П. Муссонов1, Н.Ю. Снопкова2, А.В. Гаврилов3
1,2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 3ОАО «Иркутская электросетевая компания», 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 257.
Увеличение коммутируемой мощности высоковольтных выключателей (ВВ), их количества в энергосетях, а также стоимости со временем делает актуальной проблему определения остаточного коммутационного ресурса ВВ. В результате проведенных исследований предлагается метод определения коммутационного ресурса высоковольтных выключателей, основанный на величине коммутируемой мощности как функции тока. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 11 назв.
Ключевые слова: высоковольтный выключатель; коммутационный ресурс.
SWITCHED CURRENT VALUE-BASED ESTIMATION OF RESIDUAL COMMUTATION LIFE OF HIGH VOLTAGE CIRCUIT BREAKERS
G.P. Mussonov, N.Yu. Snopkova, A.V. Gavrilov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk Electric Grid Company JSC, 257 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
The increase in the switching power of high voltage circuit breakers (HVCB), in the number of HVCB in electric grids as well as in HVCB cost makes the problem of estimation the residual commutation life of HVCB relevant. The authors propose a method to estimate HVCB commutation life based on the amount of switching power as a function of current. 1 figure. 1 table. 11 sources.
Key words: high-voltage circuit breaker; commutation life.
Ресурс - это суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации до перехода в предельное состояние, а наработка - продолжительность или объем работы объекта [6]. Величина наработки, а значит и значение сработанного и остаточного ресурсов, для различного электротехнического оборудования измеряется в единицах времени, например, часах, или в числе рабочих циклов, в частности, количествах коммутаций (запусков, отключений и т.д.). Единицы измерения определены и предписаны в соответствии с назначением электротехнического оборудования и характером его использования. Для высоковольтных выключателей (ВВ) временные единицы измерения ресурса являются малоинформативными, поэтому в качестве единиц наработки применяют количество коммутаций. Авторы здесь не рассматривают вопросы оценки ресурса электромеханических составляющих ВВ, то есть механизмов их включения-выключения,
речь идет только об определении сработанного и остаточного коммутационного ресурсов подвижного и неподвижного контактов. Известно, что токи коммутации, ниже номинальных, почти не влияют на величину коммутационного ресурса [8], а токи, выше номинальных, приводят к его существенной выработке, поэтому сам факт коммутации несет информацию об изменении ресурса только в случае, если известна величина коммутируемого тока.
Методов определения и учета сработанного и остаточного ресурсов ВВ достаточно много, и их можно классифицировать следующим образом:
1. Методы, основанные на предоставляемых заводом-изготовителем сведений по начальному ресурсу выключателей, а также данных и методиках (алгоритмах), необходимых для оценки сработанного и остаточного ресурсов в номинальных условиях эксплуатации;
1-
Муссонов Геннадий Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89503892468, e-mail: genmuss@gmail.com.
Mussonov Gennadiy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Stations, Networks and Systems, tel.: 89503892468, e-mail: genmuss@gmail.com
2Снопкова Наталья Юльевна, ст. преподаватель кафедры электрических станций, сетей и систем, тел.: 89027619964, e-mail: snopkova63@mail.ru
Snopkova Natalia, Senior Lecturer of the Department of Electric Power Stations, Networks and Systems, tel.: 89027619964, e-mail: snopkova63@mail.ru
3Гаврилов Александр Владимирович, начальник службы эксплуатации и ремонта, тел.: (3952) 792469, e-mail:Gavrilov_AV@irkutskenergo.ru
Gavrilov Alexander, Chief of Maintenance and Repair Service, tel.: 83952792469, e-mail: Gavrilov_AV@irkutskenergo.ru
2. Методы с использованием технической диагностики на базе применения современных способов и средств оценки сработанного и остаточного ресурсов, а также для решения попутных задач:
- определения качественной оценки технического состояния объекта;
- указания места расположения проблемных элементов объекта и характера проблем;
- оценки времени до перехода объекта в неработоспособное состояние.
3. Методы, основанные на учете текущего значения коммутируемой мощности, пропорциональной, например, квадрату коммутируемого тока.
Такой подход позволяет отказаться от учета влияния огромного количества тепловых, электрических, механических, химических, атмосферных, климатических и др. эксплуатационных факторов. Они бесспорно влияют на величину сработанного и остаточного ресурсов, однако степень их влияния на износ подвижного и неподвижного контактов несоизмерима с влиянием, которое оказывает коммутируемая мощность, особенно в аварийных режимах, когда в основном и происходит расходование ресурса ВВ.
Сравнительный анализ способов определения и учета сработанного и остаточного ресурсов ВВ первых двух методов рассмотрен в [2]. Оценка и учет текущего коммутационного ресурса ВВ с использованием третьего метода, то есть посредством определения энергии, выделяемой в ВВ в момент коммутации, показаны в [4]. В этой работе для более точной оценки технического состояния ВВ вводятся неэлектрические характеристики (такие как температура в дугогаси-тельной камере, давление масла в масляном ВВ и
др.).
По мере роста интереса к переводу высоковольтных выключателей на систему технического обслуживания, основанную на определении, учете или объективной оценке их фактического сработанного и остаточного ресурсов, как более экономичную по сравнению с системой планово-предупредительных ремонтов, появляется все больше публикаций. Некоторыми исследователями предлагается осуществлять процесс на основе подсчета количества коммутаций и определения величины коммутируемого тока (по данным диспетчерских служб и регистраторов аварийных событий), например, в работе [11]. В [5] получено выборочное распределение случайной величины - процентного отношения фактически отключаемых выключателями токов короткого замыкания к расчетным максимальным значениям за более чем двухлетний период. Полученное распределение соответствует логнормальному закону. Система [3] на основе измерения температуры ВВ обеспечивает постоянную диагностику состояния высоковольтных контактов, что повышает надежность масляного выключателя высокого напряжения и увеличивает ресурс его работы. Определение коммутационного ресурса выключателей путем реализации нормированных специальных циклов операций включения и отключения описано в
[9].
Основной причиной разрушения контактов ВВ является электрическая дуга. Поэтому учет технического состояния их текущего коммутационного ресурса должен базироваться на определении энергии, выделяемой в ВВ в момент коммутации. Учитывая, что все фазы трехфазного ВВ независимы и по каждой из них протекает свой ток (общим для всех фаз является только механизм включения-выключения оборудования), далее будем рассматривать процесс на примере одной фазы, хотя полученные результаты имеют место для любой из них.
Степень термического воздействия 0 коммутируемых токов I на каждую пару контактов ВВ определяется [7] значением интеграла Джоуля и имеет вид 0 = \Г(() 6!,
где 1(1) - коммутируемый ток в течение времени горения дуги, А.
Интегрирование ведется от нуля, то есть от момента размыкания контактов ВВ, до 1д - времени горения дуги [8]. Время горения дуги определяется по моменту прекращения протекания тока через контакты ВВ.
Разные производители силовых выключателей, например [1], для определения степени износа контактов ВВ при каждой коммутации рассчитывают следующий интеграл:
\1"(Ц Л,
где " - показатель степени (не обязательно целое число), который производители предлагают выбрать потребителям (под их ответственность) как функцию, зависящую от типа силового выключателя.
При коммутации токов короткого замыкания, на которые и рассчитывается коммутационный ресурс ВВ и которые в десятки и сотни раз больше номинальных токов, происходит наиболее сильное выделение энергии. Протекающий ток вызывает разогрев конструктивных элементов ВВ, увеличивая скорости химической реакции окисления, оплавления и выгорания контактов. Соответственно возрастает быстрота выработки ресурса. Также токи короткого замыкания приводят к старению твердой изоляции и ослаблению механических характеристик металла конструкции контактной пары - вследствие воздействия большой напряженности электромагнитного поля и значительных электродинамических усилий. Поэтому учет текущего значения коммутируемой мощности приводит к увеличению точности и достоверности результатов расчета показателей надежности.
Энергия Щ выделяемая током на одной фазе или на одной паре контактов при отключении ВВ, определяется выражением:
Щ = Щгд (1)
где и - напряжение в момент отключения; ^ - величина отключаемого тока; 1д - время дуги: согласно [8] -интервал времени между моментом начала возникновения дуги и моментом полного ее погасания во всех фазах при расхождении контактов ВВ; 1д является характеристикой данного вида ВВ.
Используя вытекающее из закона Ома соотношение и = ¡¡Я, преобразуем выражение (1) к виду
W = RI t'tä,
(2)
где Я - сопротивление контактов и дуги; Я также является характеристикой данного вида ВВ.
При номинальном токе отключения ¡оном, согласно (1), выделится следующее количество активной энергии:
Wo ном R 1 о ном ' td-
(3)
Если ток отключения меньше номинального тока отключения в п раз, то есть
n It = Io н
(4)
то, подставив в выражение (3) значение 1о ном из выражения (4), получим
М ном = Я'П2-?{1д. (5)
Поделив обе части равенства (5) на п , с учетом формулы (2) получим
Wo ном / n = Wt.
(6)
Аналогичные выкладки можно сделать и для выделяемой энергии при включении ВВ. Результат опишется выражением (6). Различие будет только в текущих обозначениях формул (1)-(5).
Из полученного выражения (3) видно, что энергия коммутации зависит от квадрата тока коммутации ¡¡. Остальные параметры - ¡д и Я - являются характеристикой данного вида ВВ. Эти характеристики или зависимость их от параметров коммутации, то есть от текущей мощности и/или тока и напряжения в течение коммутации, производители вынуждены будут указывать в паспортных данных ВВ, чтобы не потерять своих позиций на рынке сбыта.
Из (6) видно, что энергия М ном , выделяемая в высоковольтном выключателе при коммутации с током ¡о ном , и энергия М выделяемая при коммутации с текущим значением тока ¡¡, связаны соотношением 1Мо ном/п = М где п = ¡оном/¡¡. Из соотношения (6) видно, что энергия, выделяемая при коммутации различных токов отключения ¡¡, в п2 раз меньше, чем при коммутации номинального тока отключения ¡о ном . Это означает, что ресурс выключателя расходуется в п2 раз медленнее. На самом деле ресурс выключателя расходуется еще медленнее, так как проявление энергии не является аддитивным; например, миллион разрядов по 220 вольт (разряд при включении бытового выключателя) не приведет к таким разрушениям, как одна молния в 220 миллионов вольт.
Известно, что неровности на конструктивных элементах контактной пары ВВ являются точками концентрации напряженности электрического поля. Увеличение напряженности вызывает повышенную ионизацию вещества в пространстве между контактной парой. Загорание дуги происходит при разогреве неровностей на конструктивных элементах контактной пары ВВ до некоторой температуры 6зд - температуры зажи-
гания дуги, ниже которой могут наблюдаться другие виды разрядов, например, искровой, но устойчивой дуги не появится. Эта температура - 6зд - также является характеристикой данного вида ВВ как функция токов коммутации для данного рабочего напряжения, а также температуры и давления наружного воздуха. Значение 6зд зависит от носителей ионов внутри ВВ и материала контактной пары, например, при температуре плавления материала контактной пары свыше 70000С дуга не нанесет вреда, так как максимальная температура свободной дуги не превышает 70000С. В вакууме, из-за отсутствия носителей ионов в зоне контактной пары, дуга вообще не возникает.
При номинальных токах ¡ном конструкция ВВ гарантированно не позволяет появиться устойчивой дуге за время ¡отк. Аналогично при включении: конструкция ВВ гарантированно не позволяет возникнуть устойчивой дуге за время ¡вкл (заметим, что ¡вкл много больше, чем ¡отк). Увеличивая ток отключения до некоторого значения ¡отк мин > ¡ном, при котором еще не происходит возникновения устойчивой дуги, можно определить минимальный ток отключения ¡отк мин. При этом токе контакты не разрушаются при выключении и ресурс ВВ не вырабатывается. Значение этого тока отключения определяется величиной 6зд. Таким образом, производителям ВВ необходимо будет указывать величину 6зд или значение минимального тока отключения ¡отк мин. Учет выработки ресурса ВВ в эксплуатации начинается с токов коммутации, превышающих ¡ош мин.
Поскольку установленный ресурс по коммутационной стойкости Рк высоковольтного выключателя задается количеством раз отключения максимального тока коммутации ¡о ном и одно отключение такого тока приводит к срабатыванию (израсходованию) одной единицы ресурса, то отключение с током ¡1 составляет Ргдолю (в интервале от нуля до единицы) срабатывания единицы ресурса высоковольтного выключателя или, другими словами, определяет величину текущего сработанного ресурса высоковольтного выключателя. При любом отключении или включении для каждой фазы вычисляют Ргвеличину текущего сработанного ресурса высоковольтного выключателя по формуле (¡/¡о ном)2 (или по предварительно построенным графикам или таблицам, согласно приведенной формуле (¡/¡оном )2), вытекающей из упомянутого соотношения энергий (6), и суммируют нарастающим итогом для каждой фазы. Этот нарастающий итог, по сути, является сработанным ресурсом Рс для каждой фазы выключателя. При всех коммутациях вычисленное значение Рс для каждой фазы сравнивается со значением Рк, и, если выполняется условие Рс > Рк для какой-нибудь из фаз, то принимается решение о замене высоковольтного выключателя.
Остаточный ресурс Ро определяют как разность между установленным ресурсом по коммутационной стойкости Рк высоковольтного выключателя и полученным значением сработанного ресурса Рс, то есть
Ро = Рк — Рс.
Аналогично и при включении: ресурс ВВ выраба-
2
тывается в п раз медленнее.
Паспортные данные для четырех ВВ различных типов
Тип Номинальное напряжение, кВ Наибольшее рабочее напряжение, кВ Номинальный ток, А Номинальный ток отключения, кА
1. ВВД-220Б-40/2000ХЛ1 воздушный 220 252 2000 40
2. У-220Б-1000-25У1 масляный баковый 220 252 1000 25
3. ВМТ-220Б-40/2000УХЛ1 масляный 220 252 2000 40
4. ВЭК-220-40/2000У1 элегазовый 220 252 2000 40
Для примера приведем реальные данные трех высоковольтных выключателей на 220 М различных типов: ВВД-220Б-40/2000ХЛ1 (воздушный); ВМТ-220Б-40/2000УХ1 (масляный); ВЭК-220-40/2000У1 (элегазо-вый). Для них производители указали одинаковые параметры, а именно: номинальный ток 1ном = 2 кА; номинального тока отключения 1о ном = 40 кА. Согласно п. 6.6.4 [8], ресурс по коммутационной стойкости для указанных номинальных токов отключения должен быть не менее 15 отключений для каждой фазы, пусть Рк = 15, то есть все выключатели новые. При десяти отключениях с током коммутации, равным 8 кА (в четыре раза больше номинального) для какой-нибудь из фаз, вычисленное значение сработанного ресурса одного отключения по формуле, предлагаемой в способе, равно Рt = (8/40)2 = 0,04, а суммарный расход сработанного ресурса за десять отключений составит Рс = 0,0410 = 0,4, что равно расходу сработанного ресурса одной коммутации с током (0,4)1/2-40 = 25,298 кА, а не 80 кА при простом арифметическом подсчете, что составило бы две единицы ресурса. Остаточный ресурс, вычисленный по предлагаемому способу, составит Рк - Рс = 15 - 0,4 = 14,6 отключений по этой фазе.
Для справки и пояснения, о каких ВВ шла речь, в таблице приведены паспортные данные для четырех ВВ различных типов.
Сравнивая параметры ВВ, видим, что для трех (с номерами 1, 3, 4) производители заявили одинаковые параметры. Второй ВВ имеет в два раза меньший 1ном номинальный ток, равный 1000 А, зато в 25 раз больший номинальный ток отключения 1ном мах, в то время как превышение номинального тока отключения 1ном мах у первых трех - всего в 20 раз.
В эксплуатации учет сработанного ресурса удобней вести по графику, приведенному на рис. График построен по данным трех ВВ, для которых одинаковые номинальные токи отключения. По оси абсцисс отложены значения токов коммутации в (килоамперах) до величины 1ном мах, равной 40 кА. По оси ординат - значение доли выработанного ресурса; за единицу расходования ресурса принят его расход при отключении 1ном мах. У графика три участка:
• от нуля до точки 1отк мин, определяемой температурой зажигания дуги 6зд, на котором не происходит расходование ресурса (на рис. - прямая линия из начала координат до точки со значением 4, принятым условно, чтобы показать характер зависимости);
4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Значения токов коммутации, кА Зависимость доли сработанного ресурса от токов коммутации
• от точки 4 до точки 6 - зона неустойчивого горения дуги (объект дальнейшего исследования);
• от нуля до точки 1отк мин, определяемой температурой зажигания дуги 6зд, на котором не происходит расходования ресурса (на рис. - прямая линия из начала координат до точки со значением 4, которое взято условно, чтобы показать характер зависимости);
• от точки 4 до точки 6 - зона неустойчивого горения дуги (объект дальнейшего исследования);
• основная теоретически обоснованная зависимость от точки 6 до точки 40 по оси абсцисс.
На выключателях, находящихся в эксплуатации, в основном не установлены датчики, необходимые для учета факторов, влияющих на величину сработанного и остаточного коммутационного ресурса. Например, важным диагностическим параметром является продолжительность и интенсивность горения дуги. Горение дуги сопровождается мощным излучением в широком диапазоне частот (радиоизлучения, теплового или инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового излучения), а также вибрацией корпуса выключателя. Все эти сопровождающие факторы (и их комбинации) можно использовать в качестве датчиков продолжительности горения дуги, количества коммутаций, а по интенсивности излучения - коммутируемой мощности. Однако установка датчиков (контактная, то есть на корпус выключателя, или бесконтактная, рядом с корпусом выключателя), обеспечение их электроэнергией, монтаж оборудования (проводное или беспроводное) для передачи-приема измерительного сигнала, последующая эксплуатация датчиков - связаны с разовыми и постоянными фи-
нансовыми затратами. Все это ухудшает экономические показатели предприятий, использующих ВВ. Выпуск выключателей, оборудованных встроенными датчиками параметров коммутации (это задача производителей оборудования), позволяющих осуществлять учет и расходование сработанного ресурса, не меняет картины. Поэтому в полном объеме задачи учета и расходования коммутационного ресурса ВВ, кроме встроенной диагностики, будут решаться по мере перехода на цифровую обработку результатов измерения текущей мощности и/или тока и напряжения в течение коммутации.
На рассмотренный способ оценки сработанного и остаточного ресурсов ВВ в зависимости от текущей мощности и/или тока и напряжения в течение коммутации получен патент [10].
В заключение можно сказать, что просто регистрация и подсчет коммутируемой мощности позволяет точнее отслеживать расход ресурса ВВ, тем самым увеличить срок его эксплуатации.
Из материалов также можно убедиться, что превышение номинального тока отключения 1ном мах приводит к значительно более быстрому расходу ресурса ВВ.
Во время исследования получены расчетные выражения для определения фактического сработанного и остаточного ресурсов ВВ в зависимости от воздействия эксплуатационных факторов, а именно: от текущей мощности и/или тока и напряжения в течение коммутации.
Статья поступила 28.11.2014 г.
Библиографический список
1. Анализатор уровня износа контактов SiCEA 01. Руководство по эксплуатации. Siemens AG. 2009.
2. Андреев Д.А. Анализ методов оценки коммутационного ресурса высоковольтных выключателей // Иваново: Вестник ИГЭУ. 2008. Вып. 2. С. 69-84.
3. Башкирцев Г.П. и др. Система диагностики масляного выключателя высокого напряжения. Патент на изобретение РФ № 2327179, МКИ G01R31/327, 26.02.2007.
4. Гарке В.Г., Жегалов A.A. Способ мониторинга и диагностики высоковольтных выключателей в автоматическом режиме // Релейная защита и автоматизация. 2011. № 1 (02). С. 28-31.
5. Гусев Ю.П., Кочетов Н.Ю. Учет остаточного коммутационного ресурса высоковольтных выключателей // Энергетика. 2009. № 1. С. 186-188.
6. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Термины и определения [Электронный ресурс]. URL: www.sudact.ru/
7. ГОСТ 30323-95 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания [Электронный ресурс]. URL: www.sudact.ru/
8. ГОСТ Р 52565-2006 Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия [Электронный ресурс]. URL: www.sudact.ru/
9. Максимов Ю.Я. Способ определения коммутационных ресурсов выключателей. Патент на изобретение РФ № 2249828, МКИ G01R31/327, 10.04.2005.
10. Муссонов Г. П. Способ определения остаточного коммутационного ресурса высоковольтного выключателя. Патент на изобретение РФ № 2489726, МПК G01R 31/327 10.08.2013.
11. Неклепаев Б.Н., Востросаблин А.А. Методика оценки коммутационного ресурса выключателей при эксплуатации // Промышленная энергетика. 1995. № 1. С. 28-35.
