Взаимодействие выключателя с сетью - Элегазовый генераторный выключатель 10кВ

Глава 2. Взаимодействие выключателя с сетью

2.1. Анализ переходного восстанавливающего напряжения
При отключении короткого замыкания любого вида на контактах выключателя после погасания дуги восстанавливается переходное напряжение, обусловленное собственными параметрами сети в месте установки выключателя.
Формы ПВН  в реальных сетях могут быть обобщены и заданы в виде огибающих, определяемых двумя параметрами: напряжением , условным временем его достижения ПВН  (рис.2.1) для выключателей с кВ. Из-за влияния емкости со стороны источника питания происходит запаздывание роста ПВН на нормированное время  [1].

Рис. 2.1. Номинальные характеристики ПВН, определяемого двумя параметрами
1 – условная граничная линия ПВН; 2 – линия запаздывания ПВН (параллельная граничной линии)
Параметры ПВН определяются следующими соотношениями:
                                                                                               (2.1)
,                                                                                          (2.2)
для выключателей с  кВ:
                                                                                           (2.3)
                                                                                               (2.4)
где  - полюсное возвращающее напряжение,  - коэффициент первого гасящего полюса (при трехфазном коротком замыкании),  - коэффициент превышения амплитуды.
Для выключателей с 35 кВ =1,5.
Значения , составляющее от 1,4 до 1,54, приведены в ГОСТ Р 5265 – 2006.
Номинальные характеристики ПВН для генераторных выключателей приведены в табл. 2.1
Таблица 2.1
Номинальные характеристики генераторных выключателей

, кВ	, кА	, кВ	, мкс	, мкс	, кВ/мкс
6/7,2	80	13,3	3,8	1	3,5
10/12	50	22,0	6,2	1	3,5
10/12	63	22,0	5,5	1	4,0
15/17,5	100	32,2	7,2	1	4,5
20/24	100	44,2	9,9	1	4,5
20/24	125	44,2	8,8	1	5,0
20/24	160	44,2	8,8	1	5,0
24/26,5	160	48,8	8,9	1	5,5
24/26,5	200	48,8	8,9	1	5,5

 - скорость ПВН.

2.2. Расчет переходного восстанавливающего напряжения
По данным табл. 2.1
=22 кВ, =5,5 мкс, =1 мкс и =4 кВ/мкс
Находим:
 кВ
 мкс
 мкс
По полученным данным строим характеристику ПВН  (рис. 2.2)

Рис. 2.2.  Характеристика переходного восстанавливающего напряжения
1 – условная граничная линия ПВН; 2 – линия запаздывания ПВН; 3 - кривая реального ПВН

2.3. Анализ влияния малых индуктивных токов
При отключении малых токов, дуга, как правило, подвергающаяся интенсивному воздействию дугогасящего вещества, может погаснуть ранее момента перехода отключаемого тока через нулевое значение. Это явление, называемое обычно срезом тока, возникает чаще всего при отключении токов намагничивания холостых трансформаторов или реакторов, составляющих единицы-десятки ампер.
Физическая картина рассматриваемого явления может быть проанализирована в расчетной схеме рис.2.1,а.
В этой схеме , - индуктивность и емкость источника ЭДС;  - индуктивность соединительных шин; ,  и  - параметры схемы замещения отключаемого электрооборудования (трансформатора или реактора).

Рис. 2.3. Стилизованные осциллограммы тока и напряжения (б) в схеме замещения (а)

Срез тока, как правило, происходящий на ниспадающей части отключаемого синусоидального тока (рис.2.3,б), обусловлен возбуждением высокочастотных колебаний в контуре  -  -  при интенсивной деионизации канала дуги и резком изменении падения напряжения на нем. При этом суммарный ток (высокочастотная составляющая, наложенная на составляющую промышленной частоты) проходит через нулевое значение и дуга гаснет. После обрыва тока в выключателе возникает колебательный процесс в контуре - , обусловленный энергией, в основном запасенной в магнитной цепи трансформатора или реактора -  ( - ток в индуктивном элементе в момент обрыва тока в выключателе). В колебательном процессе обмена эта энергия оказывается запасенной в электростатическом поле емкости , что может привести к существенному повышению напряжения на ней. Максимальное напряжение на отключаемом оборудовании может быть определено, исходя из выражения для энергетического баланса (при пренебрежении потерями энергии во время переходного процесса, моделируемыми в виде потерь на сопротивлении  ( рис. 2.3,а):
  ,                                                                                (2.5)
где  - напряжение на емкости  в момент обрыва тока в выключателе.
Из выражения (2.5) следует
                                                                                       (2.6)
где   - характеристическое сопротивление схемы замещения отключаемого элемента.
Стилизованные осциллограммы отключаемого тока и напряжений показаны на рис. 2.3,б.
Со стороны источника также возникает высокочастотный процессобмена энергии определяемый относительно небольшой энергией, запасенной в индуктивности источника, и, следовательно, характеризующийся малой амплитудой колебаний. Частота высокочастотных колебаний в схеме замещения отключаемого оборудования определяется как . Напряжение, восстанавливающееся на контактах выключателя, показано на рис. 2.3,б   штриховкой. Первый пик этого напряжения называется пиком гашения, второй - восстановления напряжения,  зависящим в основном от величины тока среза  и параметров отключаемой цепи.
Повышение коммутационного ресурса комбинированных генераторных выключателей может быть достигнуто путем применения вакуумных дугогасительных камер, характеризующихся нестабильностью горения дуги при малых отключаемых токах. Ток среза в этих камерах колеблется в диапазоне 5…30 А. Согласно экспериментальным данным ток среза зависит не только от типа дугогасительного устройства, но и от величины емкости, шунтирующей выключатель :
                                                                                                          (2.6)
( - в фарадах,  - в амперах),
где  - экспериментальный коэффициент; =0,5 – для воздушных, маломасляных и элегазовых выключателей, =0,03 – для вакуумных выключателей.
Явление среза тока является актуальным не только для элегазовых выключателей. Одним из способов решения это проблемы является установка ограничителей перенапряжения, по обе стороны от выключателя.

2.4. Анализ влияния сквозных токов короткого замыкания
Стойкость аппарата при сквозных токах к.з. определяет его способность противостоять механическим и тепловым воздействиям, возникающим при прохождении этих токов через включенный аппарат. Стойкость аппарата характеризуется наибольшим пиком (электродинамическая стоимость) , равные , начальным действующим значением периодической составляющей  равным , среднеквадратическим значением тока за время его протекания (термическая стойкость) , которое обычно не менее , и временем протекания тока к.з.  (временем к.з.).
Учитывая сказанное, параметр  выключателя может приниматься по току КЗ от генератора при условии обеспечения выключателем электродинамической и термической стойкости к сквозному току КЗ - току КЗ от системы.
В качестве примера в табл.2.2 приведены параметры выпускаемых в настоящее время в РФ и фирмами "ABB High voltage Technologies" и "GEC ALSTHOM" выключателей, которые выбраны отдельно с привязкой к токам КЗ от системы и к току КЗ от генератора, последние отмечены знаком *.
Таблица 2.2

ОАО, ЭА, С-П - ОАО высоковольтного оборудования, С-Петербург;
ОАО, ЭА, Н-Т - ОАО "Нижнетуринский электроаппаратный завод";
ABB                  - "ABBHigh Voltage Technologies";
G - A                 - "GEC ALSTHOM"
Из табл.2.2 видно, что  - коэффициенты электродинамической стойкости выключателей, обеспечивающих отключение только тока КЗ от генератора, должны превышать стандартное значение 2,5 в 1,05-3 раза для обеспечения электродинамической стойкости выключателей к токам КЗ от системы. Термическая стойкость должна быть увеличена в  раза или должно быть уменьшено время протекания тока КЗ от системы по отношению к нормативу (3 с) в  раза. Последнее целесообразно использовать, если время протекание тока КЗ сокращается не более чем до 1,5 с, что при современных средствах защиты вполне приемлемо. В остальных случаях следует учитывать совместно уменьшение времени воздействия тока КЗ и конструктивное увеличение термической стойкости выключателя.
Исполнение выключателей с повышенной электродинамической и термической стойкостью предусматривается пп. 3.5.1, 3.5.2 ГОСТ 687 "Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия".
Анализ конструкций современных выключателей показывает, что эти требования выполнимы, у ряда выключателей =3, а установленный на Усть-Илимской ГЭС выключатель нагрузки имеет =13.
Повышение требований к электродинамической и термической стойкости для существующего ряда генераторных выключателей и доработка выпускаемых выключателей до уровня, отвечающего этим требованиям, позволит применять один и тот же аппарат в электрических схемах с разными значениями токов КЗ.
Выводы
В данной главе рассмотрено взаимодействие выключателя с сетью. По данным ГОСТ Р 52565-2006 была рассчитана и построена характеристика переходного восстанавливающегося напряжения для 100% к.з. Рассмотрено отключение малых индуктивных токов, при этом возможен срез тока, который приводит к перенапряжениям. Была проанализирована стойкость при сквозных токах к.з. Причем, если выключатель обеспечивает отключение только токов к.з от генератора(порядка 100кА), то коэффициент электродинамической стойкости должен превышать стандартное значение 2,5 в 1,05-3 раза для обеспечения электродинамической стойкости выключателей к токам к.з. от системы.