Отключение коротких замыканий

Аномальные режимы в энергосистемах (в частности, разнообразные короткие замыкания) предъявляют к ВВ при коммутации повышенные требования по быстродействию и по надежности функционирования. При выполнении ВВ операции «отключение» КЗ между контактами дугогасительного устройства(ДУ) возникает электрическая дуга. Возникновение ее между дугогасительными контактами, горение и гашение дуги происходят в ДУ при определенных условиях и зависят как от собственных параметров ДУ (дугогасящая среда, быстродействие, конструкция, контактные материалы, сопловые элементы ДУ, организация взаимодействия дугогасящей среды с электрической дугой отключения и т. д.), так и от внешних параметров, связанных с эксплуатацией ВВ (номинальные параметры сети и ее режимы, вид КЗ и т. д.).

В первом приближении эквивалентная схема для анализа переходных процессов при КЗ «источник питания Г – сеть с индуктивностью L _экв – ДУ — линия» представлена на рис. 1.7, где кривая К ₁₀₀ — КЗ на выводах ВВ (100 % I _{о. ном}), К — КЗ на расстоянии l _к от ВВ (неудаленного КЗ — НКЗ,   р^* I _{о. ном}, где р^* = 0,9; 0,75; 0,6 — нормированная степень неудаленности (р^* = L _экв /(L _экв + L), где L — индуктивность линии).

Целевое применение ВВ в энергосистеме (или энергоустановке) позволяет учитывать ВВ в данной схеме замещения в виде эквивалентного нелинейного сопротивления  межконтактного промежутка а - б. Параметры этого сопротивления определяются характеристиками сети, ДУ, привода ВВ, и гашение электрической дуги отключения 1 в межконтактном промежутке — переходный процесс, при котором изначально малое сопротивление  в пределе стремится к бесконечности, и на контактах ДУ восстанавливается напряжение сети.

Рис. 1.7. Эквивалентная схема для анализа переходных
процессов при КЗ

 

Рис. 1.8. Переходный процесс при отключении КЗ

В высоковольтных цепях переменного тока процесс гашения дуги отключения 1 в ДУ связан с переходом тока через нуль, когда в области нуля тока, благодаря активной деионизации межконтактного промежутка, удается увеличить его электрическую прочность и пробивное напряжение выше приложенного переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) к межконтактному промежутку ДУ. На рис. 1.8 показан типичный переходный процесс при отключении КЗ в индуктивной цепи переменного тока высокого напряжения U _и. В момент размыкания дугогасительных контактов РК в ДУ начинается процесс горения дуги отключения. По мере увеличения межконтактного промежутка (см. рис. 1.8, кривая х) напряжение на дуге U _Д растет, однако после первого перехода тока I через нуль имеется электрический пробой межконтактного промежутка, и процесс горения дуги восстанавливается.

При повторном подходе тока к нулю условия для дугогашения улучшились (сопротивление дуги значительно увеличилось в области нуля тока), и произошло гашение дуги с восстановлением напряжения на разомкнутых контактах ДУ в виде восстанавливающегося напряжения U _Е.

1.3. ПЕРЕХОДНОЕ ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЕСЯ
НАПРЯЖЕНИЕ

При выполнении ВВ операции «отключение» на межконтактный промежуток ДУ, после нуля отключаемого тока, воздействует переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН).

На величину и характер изменения (по времени) ПВН оказывают существенное влияние разнообразные факторы, связанные с особенностями электросистемы, в которой установлен ВВ и характером аварии (КЗ трехфазное, междуфазное, на землю и без земли и т. п.), точкой в энергосистеме, где произошло КЗ (число линий, подключенных к шинам в момент отключения аварии, их длина). На ПВН влияют тип и характеристика оборудования, подключенного как со стороны источника, так и со стороны КЗ; параметры нагрузки; волновое сопротивление проводов линии; характер заземления нейтрали; эквивалентная емкость и индуктивность со стороны системы и со стороны аварии и т. п.; параметры ДУ (скорость расхождения контактов и их материал; дугогасящая среда; конструкция ДУ, напряжение на дуге и проводимость межконтактного промежутка после гашения дугии т. п.).

Нормированные ПВН (согласно ГОСТ 52565-06) представляют собой обобщенные ПВН, представленные в виде огибающих (предельных характеристик отражающих жесткость энергосистемы к ВВ, без учета параметров и характеристик ВВ), определяемых двумя нормированными параметрами: напряжением u _с и времени его достижения t ₃(рис. 1.9, a, кривая 1) для ВВ на
U _ном≤ 35 кВ и четырьмя нормированными параметрами: и ₁, u _с, t _1, t ₂(рис. 1.9, б) для ВВ с U _ном ≥ 110 кВ. Нормированные параметры ПВН приведены в Приложении 1 (табл. П.1.1 и табл. П.1.2). Из-за влияния емкости со стороны источника питания происходит запаздывание роста ПВН на нормированное время t _d (см. табл. П.1.1, П.1.2 и кривую 2 на рис. 1.9). Примеры реальных ПВН иллюстрируются кривыми 3 (см. рис. 1.9).

Если напряжение (ПВН) на контактах восстанавливается быстрее, чем электрическая прочность межконтактного промежутка, то произойдет повторное зажигание дуги между дугогасительными контактами ДУ. Скорость нарастания напряжения на контактах ДУ и максимальное его значение зависят от параметров сети (см. приложение 2), вида КЗ, тока КЗ.

  

Рис. 1.9. Нормированное переходное восстанавливающееся напряжение для ВВ на
U _ном≤ 35 кВ (а)
и U _ном ≥ 110 кВ (б)

 

ПВН представляет собой сумму составляющих: переходной, определяемой параметрами сети в месте установки ВВ, и установившейся — действующее значение напряжение промышленной частоты, которое называется возвращающимся напряжением.

Выключатели 6-10-35 кВ. В России электроэнергосистемы 35 кВ и ниже выполнены, в основном, без глухого заземления нейтрали, и ток однофазного короткого замыкания отсутствует. Для таких систем принято считать наиболее сложным КЗ для ВВ — трехфазное КЗ без земли.

Типичные осциллограммы процесса выполнения ВВ цикл операций «включение — отключение» (ВО) при трехфазном КЗ с изолированной нейтралью представлены на рис. 1.10[5].

Рис. 1.10. Переходные процессы при выполнении выключателем цикла
операций ВО при трехфазном коротком замыкании

Как следует из рис. 1.10. в трехфазной сети с напряжениями на выводах полюсов U ₁, U ₂, U ₃ и токами I ₁, I ₂, I ₃, в момент t ₁ на ВВ поступает команда на выполнение операции включение (В) и по истечении времени t _СВ в момент t ₂ по контактам ВВ начинает протекать ток КЗ (разброс времени включение полюсов фиксируется временем t ₃, когда во всем трем полюсам протекает ток КЗ) Далее следует реакция релейной защиты на КЗ и в момент t ₄ на пусковое устройство ВВ поступает команда на отключение (О). Если собственное время отключения ВВ составляет время t _С , то в момент t ₅ происходит размыкание дугогасительных контактов ВВ (момент появления на контактах электрической дуги отключения). Отключающая способность ВВ такова, что первый полюс выключателя при втором переходе тока через нуль обеспечивает успешное отключение фазы 1. При отключении ВВ к первому отключаемому полюсу прикладывается возвращающееся напряжение

,

где U _н.р — наибольшее рабочее напряжение сети, коэффициент К _п,г = 1,5 — коэффициентом первого гасящего полюса.

Далее трехфазное КЗ переходит в двухфазное КЗ, и в двух других полюcах переход тока через нуль происходит одновременно. В момент t₆ происходит погасание дуги отключения и восстановление напряжениий на двух других полюсах (за время g) и далее, c момента t₇ процесс отключения сети ВВ успешно завершен с полным восстановлением напряжения промышленной частоты   f (U₁, U₂, U₃) во всех трех полюсах ВВ. Следовательно, для данного ВВ время горения электрической дуги отключения составляет интервал t_Д, а время отключения t₀. На рис. 1.10 показаны сквозные ударные токи КЗ — i _{у i}, токи отключения   b _i, и их составлющие: апериодические d_i и периодические c_i (амплитуда), а также напряжениия на дугах отключения U _{Д i}.

Выключатели 110 кВ и выше. Электроэнергосистемы с номинальным напряжением 110 кВ и выше выполнены с глухим заземлением нейтрали. Для таких систем принято считать наиболее сложным КЗ для ВВ — отключение трехфазного КЗ на землю. Типичные осциллограммы процесса выполнения ВВ операции «отключение» (О) при трехфазном КЗ с заземленной нейтралью представлены на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Переходные процессы при выполнении выключателем
              операции О при трехфазном коротком замыкании

 

Как следует из рис. 1.11, в трехфазной сети с нормированными токами I ₁, I ₂, I ₃ (относительно амплитуд токов), в момент t _К1 дугогасительные контакты размыкаются. Однако при первом переходе токов через нуль (точки а, с, в) имеет место отказ и повторное зажигание дуги отключения между контактами. При втором переходе тока через нуль ток КЗ в фазе 3 успешно отключен и делее, последовательно, отключаются токи КЗ в фазах 2 и 1. При отключении короткого замыкания к первому гасящему полюсу (в данном случае к межконтактному промежутку фазы 3) прикладывается напряжение

Нормированный коэффициент первого гасящего полюса К _{п, г}  = 1,3 введен из-за отсутствия заземления нулевой точки у части трансформаторов, питающих короткое замыкание, что смещает потенциал нейтрали, и напряжение на первом гасящем полюсе увеличивается [6].

Отключение неудаленных коротких замыканий. Чем больше расстояние между точкой КЗ и ВВ, тем меньше скорость восстановления напряжения, но больше максимальное значение ПВН со стороны линии. В результате наиболее неблагоприятные условия при отключении НКЗ имеются при расстояниях по линии l _к от 0,5 до 6 км от ВВ (см. рис. 1.7).

Начальная скорость ПВН dU/dt (В/мкс) со стороны линии при НКЗ

,                    (1.3)

 

где   z = 450 Ом —нормированное волновое сопротивление линии (соответствующее линиям с одиночными проводами (L = 1,50 мкГн/м; ωL = 0,47 Ом/км), dI/dt — скорость подхода тока отключения к нулю, А/мкс,   f — частота сети.

Поэтому для ПВН со стороны линии при НКЗ характерна высокая начальная скорость нарастания напряжения на контактах ДУ, которая определяется номинальным током отключения и волновым сопротивлением линии z. ПВН со стороны линии может в несколько раз превысить скорость нарастания ПВН со стороны источника питания. В этом случае значительно возрастает вероятность повторного зажигания электрической дуги отключения вследствие теплового пробоя (в первые микросекунды после нуля тока).

На практике z может быть снижено за счет увеличения расстояния между составляющими в фазе и уменьшения расстояния между распорками в пролетах, фиксирующими конфигурацию проводов, что существенно облегчит условия работы ВВ в электрических сетях при отключении НКЗ.

Амплитуда u_m и время  первого пика ПВН со стороны линии определяются по формулам:

 

             (1.4)

где К_п = 1,6 — нормированный коэффициент первого пика волны ПВН,
S_L = 0,2 кВ/(мкс×кА) — коэффициент скорости нарастания ПВН, u_L — амплитуда напряжение на ВВ со стороны линии в момент перехода тока через нуль, I_L = p^*I _{о. ном} — ток отключения при НКЗ, u_m (кВ), I _{о. ном} (кА), t_L (мкс).

Влияние приведенной емкости линии приводит к временной задержке возрастания ПВН со стороны линии, что нормируется введением времени задержки, равной t _d^* = 0,2 мкс (для выключателей с U _ном ≤ 150 кВ) и 0,5 мкс (для выключателей U _ном  220 кВ). Включение дополнительной емкости со стороны линии снижает частоту волны ПВН и увеличивает время задержки, что также облегчит условия работы ВВ в электрических сетях при отключении НКЗ.

На рис. 1.12 а приведено распределение напряжения от источника до точки КЗ (см. рис. 1.7) в нуле тока при НКЗ (кривая 1), где U _A= . На рис. 1.12 б представлены нормированные кривые ПВН со стороны сети (кривая u (t)) и со стороны линии (кривая u_L (t)), которые и определяют результирующее ПВН между дугогасительными контактами ВВ (U _ном = 220кВ,
I _{о. ном} = 40 кА (степень неудаленности   р * = 0,9). Расчет данных нормированных кривых приведен в Приложении 1.

 

а)                                                           б)

 

Рис. 1.12. Распределение напряжения в момент нуля тока при НКЗ (а, кривая 1),
Нормированные кривые ПВН при НКЗ (б)

 

Номинальный уровень изоляции. Рассмотренные выше вопросы коммутационных перенапряжений определяют лишь одну из проблем в эксплуатации ВВ связанную с координацией изоляции. Действительно,на изоляционные элементы конструкции ВВ в процессе эксплуатации воздействуют перенапряжения, различные по величине и длительности. Перенапряжения делятся на атмосферные (грозовые), длительность которых составляет микросекунды, и коммутационные — длительностью миллисекунды. Электрическая прочность изоляции (длительная и кратковременная) и процессы, приводящие к ее нарушению (перекрытию или пробою), зависят от диэлектрических свойств изоляционных элементов конструкции ВВ в процессе эксплуатации.

Номинальные параметры изоляции ВВ определяются после анализа воздействий как внешних, так и внутренних перенапряжений, которые характеризуются  значениями  испытательных  напряжений  согласно

ГОСТ 1516.1-76, ГОСТ 1516.2-97, ГОСТ 1516.3-97.

Основной характеристикой электрической прочности изоляции при перенапряжениях является кривая эффекта, т. е. зависимость вероятности перекрытия F (пробоя) изоляции от амплитуды воздействующего напряжения U_m [6]. Обычно кривая эффекта имеет вид, подобный функции распределения случайной величины (рис. 1.13).

Основными параметрами этой зависимости являются 50 % -ное разрядное напряжение U _0,5 и мера крутизны кривой эффекта — стандарт
 – U _0,16 или коэффициент вариации (стандарт отклонения)

Рис. 1.13. Кривая эффекта

 

Выбор изоляционных расстояний элементов изоляционных конструкций в ВВ (по условию надежной работы при перенапряжениях) производят, исходя из нормированных испытательных напряжений: для наружной изоляции ВВ на номинальное напряжение до 300 кВ нормируются выдерживаемое напряжение для грозовых импульсов (1,2/50 мкс) и выдерживаемое напряжение промышленной частоты (плавный подъем со скоростью 2-3 % в секунду и далее плавное снижение).

Связь между нормированными, выдерживаемыми и 50 %- ными разрядными напряжениями изоляционных промежутков (наружной, самовосстанавливающейся изоляции) устанавливается соотношением

U _в = U _0,5(1 – 1,3 ^*),

где ^* — коэффициент вариации зависит от вида испытательного напряжения, типа изоляционного промежутка. Для реальных образцов ВВ принимаются для грозового импульса ^* = 0,03, для коммутационного ^* = 0,06, для элегазовой изоляции при давлении 0,3 – 0,4 МПа, коэффициент вариации
^* = 0,05.

Методы испытаний изоляционных конструкций ВВ даны в ГОСТ 1516.2-97. Некоторые нормированные параметры по изоляции ВВ, согласно ГОСТ 1516.3-97, приведены в приложении 1.