Исследование процессов коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки и разработка технических требований к синхронным вакуумным выключателям

В последние годы при производстве электроэнергетического оборудования появилась возможность использования новейших высокотехнологичных видов электроизоляционных материалов, применение которых ранее было ограничено или недоступно. Предпочтение отдается твердым видам изоляции и монолитным конструкциям вследствие технологичности изготовления изделий, компактных размеров и удобства эксплуатации устройств и аппаратов, отсутствия необходимости в периодическом ремонте. Примерами электрооборудования, выполненного по таким технологиям, могут служить литые силовые и измерительные трансформаторы, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), кабельные муфты. Необходимость в использовании энергетического оборудования монолитных конструкций имеется в отраслях с высокими требованиями к габаритам используемых устройств, надежности и к практически безремонтному сроку службы устройств, например, в горно-шахтной отрасли.

Монолитным устройствам с твердой изоляцией присущ недостаток: при воздействии перенапряжений с крутым фронтом в толще изоляции из-за наличия инородных включений или дефектов, возникших в процессе изготовления, транспортировки или монтажа, возникают частичные пробои, которые приводят к преждевременному старению изоляции и могут вызвать её полное разрушение.

Существует ряд электроэнергетических устройств, которые из-за особенностей конструктивного исполнения имеют облегченную изоляцию, поэтому такие устройства в большей степени подвержены воздействиям перенапряжений, чем аппараты с обычным уровнем изоляции. К таким устройствам, в том числе, относятся трансформаторы с воздушной изоляцией, вращающиеся электрические машины — генераторы и электродвигатели.

Необходимость в частых коммутациях и надежной работе схем управления трансформаторами и электродвигателями предопределяет использование в качестве коммутационных аппаратов в сетях 6−35 кВ вакуумных выключателей. Вакуумные выключатели имеют существенные преимущества перед выключателями традиционного исполнения — большой коммутационный ресурс, пожарои взрывобезопасность, компактные размеры и малую массу, высокую надежность, отсутствие необходимости проведения плановых ремонтов.

Особенностью коммутаций вакуумными выключателями (ВВ) индуктивной нагрузки в большинстве сетей является возможность возникновения множественных повторных зажиганий и крутых волн напряжения, их сопровождающих [1−12]. Высокочастотные перенапряжения могут приводить к деградации межвиткой изоляции и полному разрушению аппаратов и устройств с твердой или облегченной изоляцией. Возможность инициирования высокочастотных перенапряжений является основным недостатком вакуумных выключателей, ограничивающим применение этого типа выключателей (например, для коммутации генераторной нагрузки) и вынуждающим к использованию специальных защитных устройств.

Существует несколько механизмов возникновения перенапряжений при коммутациях трансформаторов и электрических двигателей (ЭД):

— множественные повторные зажигания при схождении и дребезге контактов в ВВ при включении трансформаторов и ЭД [1−3];

— срез тока при отключении трансформаторов и электродвигателей, в том числе одновременный срез тока в двух и более фазах при отключениях установившихся токов ненагруженных трансформаторов[1,4,6,8,10−12];

— разновременность замыкания контактов при включениях ЭД[3];

— многочисленные повторные зажигания и эскалация перенапряжений, сопровождающие отключение трансформаторов и ЭД [1−12];

— «виртуальные» срезы токов при отключении номинальных токов и бросков токов намагничивания трансформаторов при отключении пусковых токов неразвернувшихся ЭД и их номинальных токов [5,10,11].

Наиболее опасными коммутациями с точки зрения возникающих перенапряжений и вероятности их возникновения являются следующие:

— отключение ЭД с неразвернувшимся ротором [1−3,6,9];

— отключение установившихся токов ненагруженного трансформатора [5,6,12];

— отключение броска тока намагничивания трансформаторов [8].

При включениях трансформаторов любыми типами выключателей могут возникать броски токов намагничивания, которые вынуждают осуществлять отстройку и загрубление уставок релейной защиты, а также приводят к повышенным электродинамическим воздействиям на обмотки трансформаторов. Броски токов намагничивания объясняются насыщением стали сердечника трансформатора из-за различия свободной и вынужденной составляющих магнитного потока в момент коммутации. Наиболее рациональным решением избавления от них является использование управляемой коммутации.

Большое влияние на современное понимание механизмов протекания процессов при коммутациях индуктивной нагрузки вакуумными выключателями оказали работы Г. А. Евдокунина, Ф. Х. Халилова, В. В. Базуткина, В. Е. Качесова, М. Попова (M.Popov), К. П. Кадомской и др. Существенный вклад в разработку идей синхронной коммутации выключателей других типов оказали идеи Л. Г. Клепарской, Г. В. Буткевича, рабочей группы WG 13.07 (Л3.07) CIGRE, К. П. Кадомской и др. Большие усилия в разные годы приложили к созданию управляемых вакуумных выключателей различные люди и рабочие группы: М. В. Чалый, О. И. Червинский, В. И. Раховский, Д. Ф. Алферов, Г. С. Белкин, компания Joslin Hi-Voltage и др.

При исследовании процессов коммутаций вакуумными выключателями используются два подхода. Первый подход ориентирован на аналитическое решение систем уравнений и позволяет качественно оценить характер возникающих процессов. Этот метод имеет ряд преимуществ, к которым относятся небольшие затраты времени и возможность понимания физической сущности протекающих процессов. К недостаткам метода можно отнести практическую невозможность учета всех особенностей протекающих процессов в вакуумной дугогасящей камере ВДК, а также учета большого объема параметров сети электропитания и нагрузки.

Другим подходом является численный расчет, который позволяет более полно по сравнению с аналитическим методом учесть характеристики вакуумных выключателей и элементов электрической сети. Численные методы расчета позволяют получить результаты с высокой точностью при корректном учете характеристик моделируемого вакуумного выключателя и элементов сети электропитания и количественно оценить параметры возникающих перенапряжений. Для получения полной картины влияния различных параметров ВВ и коммутируемой нагрузки на характер протекающих процессов необходимо, как правило, осуществить многочисленные расчеты, на выполнение которых нужно затратить значительное количество времени даже с учетом высокой производительности современных персональных компьютеров.

Затруднения при численных расчетах, связанные со сходимостью решения, возникают при моделировании элементов сети, имеющих нелинейные характеристики — это ненагруженные трансформаторы и вакуумные выключатели. Ненагруженные трансформаторы, как правило, моделируются с учетом намагничивания их магнитопроводов, присущих рассматриваемым типам трансформаторов. Определение основной кривой намагничивания трансформаторов при наличии информации об его габаритных размерах и характеристиках стали магнитопроводов не представляет сложностей. Иная ситуация наблюдается при моделировании вакуумных выключателей.

Моделирование выключателей осуществляется с учетом таких характеристик как скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка и ток среза промышленной частоты. Из-за отсутствия полной информации об этих характеристиках часто приходится опираться на ограниченную и в ряде случаев устаревшую информацию о характеристиках аналогичных выключателей из открытых источников информации, что приводит к снижению достоверности полученных результатов. В этой связи следует отметить насущную необходимость при анализе коммутаций конкретных ВВ обладать полной информацией об их испытаниях, включая испытания на коммутационную способность и информацию о величине тока среза и скорости восстановления начальной электрической прочности, а также информацию о максимальной скорости обрываемого тока сИ/Штах, определение которых не входит в объем испытаний, необходимый для прохождения сертификации ВВ.

Мерами по предотвращению опасных коммутационных перенапряжений в настоящее время являются следующие:

— подключение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) между вакуумным выключателем и коммутируемой нагрузкой или между контактами вакуумных дугогасящих камерподключение демпфирующей ЯС-цепи между нагрузкой и выключателем.

Применяемые защитные устройства — ОПН и демпфирующие ЯС-цепи не могут повсеместно использоваться в силу своих особенностей. Применение ОПН ограничено их недостаточной эффективностью при высокочастотных коммутационных перенапряжениях, заключающейся в отсутствии их влияния на крутизну воздействующих импульсов и ограничении только их амплитуды [3−5,7,9,11], Использование демпфирующих 7? С-цепей ограничено допустимыми величинами токов однофазного замыкания на землю (033), к увеличению которого приводит установка ЯС-цепей по стандартной схеме «фаза-земля», а также высокой стоимостью по сравнению со стоимостью ОПН.

В настоящее время ряд исследований, посвященных управляемой коммутации, выполнен для высоковольтных выключателей [13−17] и неприменим для сетей с изолированной нейтралью и коммутаций вакуумными выключателями. Некоторые наработки по управляемому включению могут использоваться для сетей 6 кВ и включению без бросков тока намагничивания, но не учитывают возможность возникновения предпробоев при включении вакуумными выключателями и поэтому являются неоптимальными [18,19]. Некоторые предложенные устройства обладают достаточно высокой точностью работы, но имеют значительные габаритные размеры и массу, а алгоритмы их работы для коммутации индуктивной нагрузки до конца не проработаны [20].

В последние годы в распоряжении производителей вакуумных выключателей появились новые инструменты в виде современной элементной базы, включая промышленные микроконтроллеры, позволяющие осуществить реализацию управляемой коммутации трансформаторов [21 ] с целью снижения возникающих перенапряжений, числа повторных зажиганий, предпробоев и уменьшения броска тока намагничивания. Исследования, направленные на исследование упомянутых переходных процессов, разработку алгоритмов коммутации и требований к ВВ, определяют актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы является повышение надежности эксплуатации трансформаторных подстанций с литой и воздушной видами изоляции за счет снижения градиентных перенапряжений и электродинамических усилий на обмотки трансформаторов при коммутациях вакуумными выключателями.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

— разработать экспериментальную установку, позволяющую определять закон и скорости восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка в вакуумных выключателях, величину тока среза в используемых вакуумных дугогасящих камерах, а также максимальную скорость отключаемого высокочастотного тока в разрабатываемых вакуумных выключателях и существующих моделях;

— разработать математические модели для исследования коммутационных перенапряжений, возникающих в шахтных сетях 6 кВ, оснащенных вакуумными выключателямипровести натурные эксперименты с целью внесения необходимых дополнений в разработанные математические модели и проверки их адекватности;

— исследовать влияние параметров сети на характер переходных процессов, сопровождающих коммутацию ненагруженные трансформаторных подстанцийразработать альтернативные способы защиты трансформаторных подстанций, не связанные с управляемой коммутацией ВВразработать алгоритмы коммутации синхронных вакуумных выключателей (СВВ) и выдвинуть требования к их работе при включениях и отключениях ненагруженных трансформаторных подстанций.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы следующие методы: математическое (компьютерное) моделирование исследуемых процессов с использованием теории электрических цепей, методы активного, целенаправленного эксперимента, поставленного как в производственных условиях, так и на специально разработанной испытательной установке. При обработке результатов экспериментов использованы методы математической статистики.

Научная иовизна основных положений и результатов работы:

— показано, что количество повторных зажиганий и сопровождающие их перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов существенно зависят от скорости восстановления электрической прочности (к) межконтактных промежутков выключателя и мгновенного значения протекающих токов в момент размыкания контактов. Выяснено, что при управляемом включении ВВ происходит несовпадение максимумов количества предпробоев и величины броска тока намагничивания при варьировании момента коммутации;

— показано, что оптимальным алгоритмом отключения ненагруженного трансформатора является алгоритм при этом отключение фаз, А и В осуществляется при переходе токов в соответствующих фазах через ноль 3,7 мс), а отключение фазы С должно происходить после окончания переходных процессов, сопровождающих отключение фазы В (732=1. .2 мс);

— выдвинуты технические требования к работе СВВ при отключении ненагруженных трансформаторов рассматриваемых мощностей: временной разброс отключения тока вблизи нуля при отключении фаз, А и В не должен превышать 0,2 мс при А=20 кВ/мс;

— показано, что оптимальным алгоритмом включения ненагруженных трансформаторов является алгоритм включения трансформатора в три этапа: включение первой фазы должно осуществляться при переходе фазного напряжения через ноль, второй фазы — при максимальном значении линейного напряжения первых двух включаемых фаз, включение третьей фазы — при максимальном фазном напряжении последней включаемой фазы. Обязательным условием для включения трансформаторов рассматриваемых мощностей без предпробоев при скоростях снижения электрической прочности (ксн), не превышающих 100 кВ/мс, является использование дополнительных конденсаторов относительно небольшой емкости;

— разработанная синтетическая схема для определения требуемых характеристик вакуумных выключателей является двухчастотной и позволяет при высокой вероятности возникновения повторных зажиганий определять скорость восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка, значение тока среза и максимальную скорость изменения тока при его гашении.

Личный вклад соискателя состоит в:

• участии при постановке целей и задач в диссертации;

• разработке математических моделей переходных процессов коммутации ненагруженных трансформаторов;

• постановке и проведении экспериментальных исследований вакуумных выключателей в лаборатории каф. ТиЭВН НГТУ;

• обработке результатов экспериментов и проведении всех компьютерных расчётов и выдвижении требований к вакуумным выключателям;

• участии в разработке конструкции демпфирующих 7? С-цепей;

• участии в разработке концепции синхронного вакуумного выключателя, разработке датчиков напряжения и тока, внесении корректировок в конструкцию СВВ.

Практическая значимость результатов работы:

— разработаны математические модели, описывающие переходные процессы при отключении и при включении ненагруженных трансформаторов вакуумными выключателями с учетом возникающих повторных зажиганий и предпробоев;

— получены зависимости между допустимым временным разбросом размыкания контактов вблизи перехода тока через ноль при управляемых отключении и включении ненагруженного трансформатора и скоростями восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка при коммутациях СВВ;

— экспериментально определены характеристики некоторых типов вакуумных выключателей, которые могут быть использованы при моделировании процессов, связанных с их коммутациями;

— рассчитаны значения емкостей /?С-цепей, необходимых для защиты трансформаторов от повторных зажиганий, разработана оригинальная конструкция малоиндуктивных демпфирующих 7? С-цепей и сформулированы рекомендации по их применению, направленные на повышение надежности эксплуатации комплектных трансформаторных силовых взрывозащищенных подстанций (КТСВП).

Достоверность основывается на использовании результатов проведенных натурных экспериментов и хорошем согласии результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными.

Апробация работы и публикации. Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры ТЭВН и Факультета энергетики НГТУ (2007;2011 гг.), на Всероссийских и Международных конференциях в Новосибирске и Томске (2007;2010 гг.), на Международных научно-практических конференциях: «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» в рамках международных выставок-ярмарок «Уголь России и Майнинг» (г.Новокузнецк, 2007, 2009 гг.,), на III Конференции «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники в условиях роста инвестиций. Перспективные технологии и электрооборудование» (санаторий РОП РФ «Истра», Моск. обл., 2008 г.), на V Международной научно-технической конференции «Высоковольтное коммутационное оборудование» (г.Москва, 2010 г.).

Результаты работы использованы при выполнении НИР каф. ТЭВН НГТУ по договору с ООО «АРЕВА ТиД — РУСАЛ Электроинжиниринг», «Анализ коммутационной способности выключателя АЯБУА УАН12/-63−80−27, установленного на кремниевом выпрямительном агрегате КВА238, и выключателей на вводе сети 10 кВ Красноярского алюминиевого завода и разработка мероприятий по обеспечению безаварийной работы выключателей и электрооборудования», при выполнении НИР ОАО «Энергия Холдинг» по договору с АК «АЛРОСА» «Инженерно-технические услуги по разработке рекомендаций по защите от грозовых, коммутационных перенапряжений и по защите от импульсных помех в сетях электроснабжения: шахтных подъемных машин БККСвентилятора главного проветривания (ВОД 50) п.р. „Интернациональный“ Мирнинского ГОКа». Разработанные устройства защиты (демпфирующие 7? С-цепи) устанавливаются серийно ООО «ЕХС» на взрывозащищенных трансформаторных подстанциях. Акты внедрения результатов диссертационной работы включены в её текст в виде соответствующих приложений.

По теме диссертации в научно-технической литературе опубликованы 11 работ, из них: 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, из которых 2 -патенты на изобретения РФ. Подана одна заявка на патент на изобретение РФ.

Положения, выносимые на защиту:

— наиболее опасные для продольной изоляции трансформаторов перенапряжения возникают при отключении их тока холостого хода, поскольку практически каждая такая коммутация сопровождается повторными зажиганиями дуги в ВДК с опасными перепадами напряжения на обмотке трансформатора;

— надежную эксплуатацию как главной, так и витковой изоляции трансформатора может обеспечить применение демпфирующих У? С-цепей. Значение емкости демпфирующей ЯС-цепи для эксплуатации в КТСВП, рекомендуемое циркуляром Департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России» Ц-5−98(э), недостаточно для надежной защиты при низких скоростях восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в ВДК;

— применение синхронного включения ненагруженных КТСВП позволяет существенно уменьшить электродинамические нагрузки на обмотки трансформаторов и токопроводы за счет уменьшения броска тока намагничивания, а также уменьшить перенапряжения, возникающие из-за предпробоев. Для исключения предпробоев. при управляемом включении ненагруженных трансформаторов необходимо использование дополнительных емкостей относительно небольшой величины;

— синхронное отключение ненагруженного трансформатора позволяет существенно снизить уровень перенапряжений и число повторных зажиганий, инициируемых вакуумными выключателями.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения, приложений и списка использованных источников, содержащего 63 наименования. Объем работы составляет 142 страницы, включая 52 рисунка и 13 таблиц.

4.4. Выводы по четвертому разделу.

1. Разработана математическая модель, позволяющая моделировать переходные процессы включения ненагруженных трансформаторов с учетом возникающих перенапряжений при предпробоях между контактами в ВДК.

2. Разработаны алгоритмы включения ненагруженного трансформатора, позволяющие существенно снизить величины бросков тока намагничивания. Рекомендуемый алгоритм включения полюсов трансформатора следующий: В-^х-С-^г-А или Замыкание первой фазы должно быть осуществлено при переходе фазного напряжения через ноль, замыкание второй фазы — при переходе линейного напряжения двух первых включаемых фаз через максимальное значение, замыкание последней фазы — при переходе фазного напряжение через максимум.

3. При управляемом включении ненагруженных трансформаторов необходимо применение дополнительных емкостей, позволяющих существенно повысить надежность осуществления программируемой коммутации включения ненагруженных трансформаторов. Требуемая величина емкостей незначительна (несколько единиц или десятков нФ) и, следовательно, не оказывает существенного влияния на величину тока однофазного замыкания на землю в сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По работе могут быть сделаны следующие выводы:

1. Разработанная и изготовленная в процессе выполнения работы синтетическая схема испытания ВВ позволяет определять ряд характеристик ВДК, обычно не фиксируемых при сертификационных испытаниях, а именно: законы и скорости восстановления к и снижения кт электрической прочности в ВДК, величину тока среза /ср, максимальную скорость изменения тока при его обрыве (сИ/Л)тах. С использованием схемы испытания определены характеристики нескольких современных вакуумных выключателей, а также полюса вакуумного выключателя, который может использоваться в составе синхронного вакуумного выключателя. Экспериментально подтверждена линейная связь между скоростью восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в ВДК и скоростью перемещения подвижного контакта.

2. Разработаны математические модели, позволяющие исследовать перенапряжения, возникающие при коммутациях вакуумными выключателями нена-груженных трансформаторов, а также определять уровни бросков токов намагничивания при включении трансформаторов. В математических моделях предусмотрена возможность осуществления коммутаций полюсов ВВ в произвольной последовательности, что позволило выполнить разработку управляемой коммутации и выдвинуть требования к синхронным вакуумным выключателям. Проведенные натурные эксперименты подтвердили адекватность разработанных математических моделей.

3. Исследовано влияние ряда параметров системы и вакуумного выключателя на переходные процессы. Установлено, что основными характеристиками.

ВДК, определяющими развитие переходного процесса при коммутациях нена-груженных трансформаторов, являются скорости восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка к и ксн. Показано, что применение произвольных законов восстановления электрической прочности может существенно снизить требования к точности отключения полюсов СВВ при отключении ненагруженных трансформаторов.

4. Применение ОПН не позволяет ограничить опасные для градиентной изоляции коммутируемых ненагруженных трансформаторов высокочастотные перенапряжения, поэтому их применение следует признать неэффективным. При неуправляемом отключении ненагруженных трансформаторов необходимо предусмотреть защиту их изоляции в виде демпфирующих ЛС-цепей. При использовании ЯС-цепей на КТСВП их параметры необходимо рассчитывать для каждого трансформатора индивидуально, т.к. величины емкостей, рекомендованные в циркуляре Ц-05−98(э), недостаточны для эффективного ограничения градиентных перенапряжений.

5. Определены необходимые значения емкостей демпфирующих ЯС-цепей, позволяющие эффективно снизить перенапряжения при неуправляемом отключении ненагруженного трансформатора. Разработана оригинальная малоиндуктивная конструкция ЛС-цепи.

6. Разработаны алгоритмы отключения ненагруженного трансформатора, позволяющие существенно снизить количество повторных зажиганий и уменьшить уровень градиентных перенапряжений при отключении. Выдвинуты требования к допустимому временному разбросу времен отключения полюсов при различных скоростях восстановления электрической прочности в ВДК.

7. Разработаны алгоритмы включения трансформаторов, позволяющие снизить броски токов намагничивания и уменьшить количество предпробоев.

Выяснено, что при управляемом включении необходимо использование дополнительных конденсаторов незначительной емкости.