Предельная отключающая способность

Номинальные параметры ВВ при отключении нормированных КЗ (на выводах ВВ, по линии, с апериодической составляющей и т. д.) на один разрыв определяют предельную отключающую способность ВВ.

Принято выделять предельную отключающую способность ВВ в тепловой фазе пробоя, когда после перехода тока через нуль имеются остаточный ток и след плазмы высокой температуры, способные инициировать пробой межконтактного промежутка ДУ в начальной стадии ПВН (в частности, в режиме НКЗ — пробой между контактами ДУ происходит в первые микросекунды после нуля тока), и отключающую способность ВВ в диэлектрической фазе пробоя, когда пробой межконтактного промежутка ДУ (в частности, номинальный режим 100 % I _{о. ном}) происходит через 100 мкс и более, при этом пробой связан в основном с параметрами газа в потоке между дугогасительными контактами для газовых ВВ, состоянием элементов ДУ (контактов и сопловых конструкций), конфигурацией межконтактного пространства и распределением электрического поля между экранными и контактными элементами ДУ.

Отключающая способность в тепловой фазе пробоя. Для оценки отключающей способности ВВ в тепловой фазе пробоя обычно используется зависимость между предельной скоростью роста напряжения на контактах ДУ dU/dt (кВ/мкс) и скоростью подхода тока отключения к нулю dI/dt (кВ/мкс).

Для газовых ВВ, при известном давлении в камере ДУ р (р — высокое давление, которое определяет массовый расход дугогасящей среды) в момент перехода тока отключения через нуль, отключающая способность определяется так:

,                                     (1.5)

где K, m, n — эмпирические коэффициенты.

Некоторые сведения по предельной отключающей способности в тепловой фазе пробоя некоторых газов и их смесей в ДУ при   р = 2 МПа приведены на рис. 1.14.

Отношение парциальных давлений во всех газовых смесях было 1 : 1 [7]. Предельная отключающая способность воздушного ДУ и элегазового ДУ в зависимости от давления р при dI/dt = 13,5 А/мкс приведена на рис. 1.15 [7]. Кривые dU/dt (dI/dt), приведенные на рис. 1.14 и рис. 1.15, показывают высокую отключающую способность элегазовых ДУ по сравнению с другими газовыми дугогасительными устройствами.

Используя зависимости (1.3) и (1.5), можно записать

                                   

где   е = m /(1 + n); α = 1/(1 + n).

Графически предельный ток отключения I _T  в тепловой фазе пробоя определяется по пересечению кривой 1 (согласно уравнению (1.5) с кривой 2, согласно уравнению (1.3) (см. рис. 1.16).

 

Рис. 1.14. Предельная отключающая способность в тепловой фазе пробоя
для газовых ДУ

 

Рис. 1.15. Предельная отключающая способность
воздушного и элегазового ДУ

 

Тепловая фаза пробоя межконтактного промежутка связана с остаточным током, с высокой проводимостью остаточного следа электрической дуги отключения после перехода тока через нуль.

Благодаря высоким дугогасящим и электрическим свойствам элегаза после нуля тока, остаточный ток в элегазовых ДУ мал (~ 1- 4 А), его длительность ~ 2-6 мкс, тогда как в воздушных ДУ длительность остаточного тока ~ 10 -100 мкс, ток ~ 10 -100 А.

 

Рис. 1.16. Определение предельной
отключающей способности ВВ

 

Отключающая способность в диэлектрической фазе пробоя. Принято считать, что диэлектрическая фаза пробоя для газовых ВВ определяется параметрами газового потока и распределением электростатического поля в межконтактном промежутке. Данный подход обычно предполагает режимы отключения номинального тока, малых емкостных и индуктивных токов. Однако и при отключении 100 % I _{о. ном} предполагается, что возможный пробой происходит в области предельных перенапряжений (согласно граничной кривой волны ПВН) и также относится к диэлектрическому пробою. Если принять максимальный уровень перенапряжений как u_c (см. рис. 1.16), то предельный ток отключения I _З определяется по пересечению кривой 4, характеризующей максимальной уровень ПВН при 100 % (для данного номинального напряжения сети), с кривой 3 как характеристикой предельной отключающей способности ВВ при 100 % I _{о. ном}. Однако, как показывают результаты испытаний ВВ при 100 % I _{о. ном} на предельные параметры по напряжению на разрыв, имеются электрические пробои межконтактного промежутка на фронте волны ПВН (до напряжения u_c). Поэтому характеристики (рис. 1.16) взаимодействия ВВ с отключаемой сетью лишь качественно, в первом приближении, отображают реальные процессы при отключении.

Деление посленулевого временного периода на фазы достаточно условно и вводится для выделения некоторых особенностей процесса восстановления прочности при воздействии нормированных ПВН. Временные зоны между тепловой фазой пробоя и диэлектрической фазой пробоя составляют для воздушных ВВ сотни микросекунд (для элегазовых ВВ — десятки микросекунд) и определяются как параметрами ВВ, так и характеристиками сети для данного режима отключения.

1.5. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ
СТОЙКОСТЬ

Требования к ВВ выдерживать без повреждений воздействия токов КЗ, характеризуются понятиями электродинамической и термической стойкости ВВ.

Ток электродинамической стойкости I _д определяет максимально возможные механические (электродинамические) усилия, возникающие вследствие протекания тока по токоведущим и контактным системам ВВ, способные не только деформировать токоведущие и контактные системы ВВ, но и вызвать вибрацию контактов, что, в конечном счете, приведет к свариванию последних. Так как   I _д = К _д I _{о. ном}, где   К _д = 2,5 — коэффициент электродинамической стойкости, то последний действителен (в соответствии с ГОСТ 52565-06) для сетей с сos φ < 0,15 и постоянной времени 45 мсек. Этот частный случай в энергосистеме выбран как нормирующий при испытаниях ВВ. Процесс возникновения тока КЗ и апериодической составляющей носит случайный характер и реальная предельная амплитуда тока КЗ — ударный ток I _у (см. рис. 1.5), а, следовательно, и коэффициент К _д, зависят от параметров электроэнергосистемы (более подробно см. Приложение 3).

Термическая стойкость ВВ характеризуется значением номинального тока отключения (тока термической стойкости) I _т = I _о.ном и нормированным временем его протекания (время короткого замыкания). ВВ должен выдерживать в течение заданного времени протекание тока КЗ без перегрева токоведущего контура свыше допустимой температуры: перегрев может привести к уменьшению механической прочности токоведущих и контактных систем ВВ. Время протекания тока I _т выбирается из ряда 1, 2, 3 сек.

1.6. НОМИНАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ОПЕРАЦИЙ.
КОММУТАЦИОННЫЙ РЕСУРС

В подавляющем большинстве случаев КЗ на линиях, не связанные с повреждением изоляции, могут быть ликвидированы путем прерывания тока на время, не превышающее 0,3 сек, необходимое для деионизации открытой дуги КЗ. При этом снова появляется возможность включения установки под рабочее напряжение. Отсюда вытекает необходимость выполнения ВВ определенной последовательности операций: циклов автоматического повторного включения (АПВ), связанных с отключением поврежденного участка сети и последующим включением его в работу. Один из нормированных циклов

O – t _бт – ВО – 180 сек – ВО,

 

где t _бт – нормированная бестоковая пауза. При быстродействующем АПВ это значение принимается равным 0,3 сек — цикл 1 (быстродействующее АПВ) или 180 сек — цикл 2. Для ВВ менее 220 кВ, предназначенных для работы при АПВ, кроме циклов 1, 2, нормируется цикл О – t _бт – ВО - 20 сек - ВО.

Механическая работоспособность определяется приводами ВВ. Они оснащаются приводами независимого (косвенного) действия, совершающими операции  В и О за счет энергии, предварительно накопленной до совершения операции, — пневматическими, пружинными или гидравлическими приводами.

Так как пополнение запасенной энергии в приводах требует некоторого времени (от десятков секунд до нескольких минут), то для ВВ, предназначенных для работы при АПВ, минимальный запас энергии в приводе должен обеспечить выполнение цикла О - ВО с нормируемыми характеристиками работы механизма выключателя. Пополнение запасенной энергии в приводах путем взвода пружины или подкачки масла в гидравлической системе также требует некоторого времени (от десятков секунд до нескольких минут), поэтому первые операции О - t _бт - ВО цикла АПВ (О - t _бт - ВО - 3 мин - ВО) ВВ должен выполнить без пополнения запаса энергии с нормируемыми характеристиками работы механизма ВВ.

Включение и отключение ВВ обычно производится с помощью пусковых электромагнитов, воздействующих на удерживающее устройство привода (защелка) или на пусковой пневматический или гидравлический клапан включения (отключения). Диапазон нормируемых напряжений для работы цепей электромагнитов при питании постоянным током следующий: для включающих электромагнитов — от 80 - 110 % номинального напряжения, для отключающих электромагнитов — 70 - 110 %.

Электродвигатели приводов, используемые для взвода пружин или приведения в действие индивидуального компрессора или насоса, должны нормально работать в диапазоне от 85 до 110 % номинального напряжения при питании постоянным током и в диапазоне от 80 до 110 % номинального напряжения при питании переменным током.

Механический ресурс устанавливается на уровне 2000 циклов «включение – отключение» (ВО) для ВВ нормального исполнения и 10 000 циклов ВО для ВВ с повышенной механической стойкостью.

Коммутационный ресурс был ранее установлен (до 2006 г.) как гарантированное количество отключений токов КЗ в зависимости от значения номинального тока отключения (60 - 100% I _{о. ном}) и типа выключателя (газовый, масляный). В частности, для масляных (маломасляных) ВВ при I _{о. ном} = 20;
25-31,5; 40, 50, 63 кА коммутационный ресурс был установлен так: N _к = 10, 7, 6, 6, 6 отключений, соответственно. Хотя реально в эксплуатации, при токах I _{о. ном} > 31,5 кА коммутационный ресурс для масляных и маломасляных ВВ был значительно ниже.

ГОСТ Р 52565-2006 нормирует коммутационный ресурс только для газовых (элегазовых) и вакуумных выключателей для 100 % I _{о. ном}  с указанием необходимости увеличения этих нормативов в 1,7 раза при 60 % I _о.ном (см. табл. П.1.5 в Приложении 1). Типичная характеристика по коммутационному ресурсу для вакуумного ВВ  (10 кВ, I _{о. ном} = 40 кА) приведена на рис. 1.17.

Если фиксируется время горения дуги и ток отключения ВВ, то характеристики  N_к (I_{о. ном}) позволяют установить реальный коммутационный ресурс ВВ в эксплуатации. Поэтому регистрация и контроль реального времени дуги отключения при коммутации КЗ, критических токов — важные факторы при оценке коммутационного ресурса ВВ.

Рис. 1.17. Зависимость коммутационного ресурса ВВ
от тока короткого замыкания

1.7. ВРЕМЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ. СОБСТВЕННОЕ ВРЕМЯ
ВКЛЮЧЕНИЯ. КРИТИЧЕСКИЕ ТОКИ

Когда на привод ВВ поступает команда на отключение (согласно рис. 1.10, время подачи сигнала на пусковое электромагнитное устройство отключениия – t ₄), то привод одновременно во всех трех полюсах размыкает главные контакты X (t) и далее дугогасительные контакты X _К (t) (см. рис. 1.18 а).

В вакуумных ВВ главные контакты выполняют функции и дугогасительных контактов, поэтому X (t)= X _К (t).

Время отключения ВВ t _О = t _С+ t _д, где t _С — собственное время отключения ВВ (интервал времени между моментом подачи сигнала управления на электромагнит до момента размыкания дугогасительных контактов), t _д — время дуги отключения (интервал времени между моментом возникновения дуги между дугогасительными контактами ВВ и моментом окончательного погасания ее во всех полюсах разрывах) ВВ [5]. Время горения дуги отключения t _д  на дугогасительных контактах зависит как от типа и номинальных параметров ВВ, так и вида короткого замыкания, параметров энергосистемы.

 

Рис. 1.18. Динамические характеристики выключателя при выполнении операции – О (а) и операции – В (б) при коммутации токов КЗ

Поэтому ВВ должен обеспечить как минимальное время дуги отключения t _{д, мин} (мсек), так и максимальное время дуги отключения t _{д, макс} :

 

для ВВ с U _ном £ 35 кВ t _{д, макс} ³ t _{д, мин} + 7,3 мсек;

для ВВ с U _ном ³ 110 кВ t _{д, макс} ³ t _{д, мин} + 9 мсек.

 

Требования к ВВ иметь «окно отключения» существенно усложняет конструкцию ВВ, так как воздействие дугогасящей среды на дугу отключения в ВВ ограничено по времени. Следует отметить, что в паспортных данных для ВВ указывается среднее время дуги отключения, которое для современных элегазовых ВВ и вакуумных ВВ составляет обычно 15 мсек, для воздушных ВВ 20 мсек, для маломасляных ВВ 30-40 мсек. В некоторых конструкциях ВВ подвижная часть ВВ (после погасания дуги отключения и прерывание тока КЗ   i (t) =0), продолжает свое движение вместе с главными и дугогасительными контактами до положения x = l (рис.1.18 а), обеспечивая необходимое расстояние между контактами согласно требованиям по координации изоляции ВВ в положении «Отключено».

 

Собственное время включения ВВ. Когда на привод  ВВ  поступает команда на включение (согласно рис. 1.10, время подачи сигнала на пусковое электромагнитное устройство включения — t ₁), то привод обеспечивает во всех трех полюсах (разрывах) движение и включение (замыкание) дугогасительных контактов X _К (t) и далее включение главных контактов X (t) (см. рис. 1.18 б). Нормированное собственное время включения ВВ t _СВ определяется как интервал времени от момента подачи сигнала на включение до замыкания дугогасительных контактов во всех трех полюсах ВВ и измеряется при отсутствии высокого напряжения на контактах ВВ при механических испытаниях. В реальных условиях эксплуатации следует рассматривать две составляющие данного параметра (см. рис. 1.18 б): t _В — время при включении ВВ (интервал времени от момента подачи сигнала на включение до момента t _Д — начала протекания тока в первом полюсе) и t _ДВ — время горения дуги при включении ВВ, вследствии пробоя дугогасительной среды между дугогасительными контактами при включении,когда дуга включения i (t) = var изменяется от момента t _Д до момента контактирования всех трех дугогасительных контактов. Данные составляющие не нормируются, так как при включении ВВ пробой между дугогасительными контактами (при их сближении) определяется как параметрами энергосистемы при КЗ (мгновенным значением напряжения на разрывах), так и конструкцией и динамическими характеристиками ВВ.

 

Критические токи ВВ. Согласно ГОСТ Р 52565-06, критический ток I _к — ток менее номинального тока отключения (например, I _к = 0,2; I _{о. ном};
I _к = 0,05 I _{о. ном}), при котором время горения дуги t _д значительно возрастает (более 10 мсек). Критические токи обычно имеются в автогенерирующих ВВ, когда образование необходимого массового расхода дугогасящей среды для гашения дуги отключения связано с величиной тока отключения (в масляных, маломасляных, элегазовых ВВ). Так как гашение дуги отключения при критических токах происходит в малоподвижной газовой среде, то эрозия дугогасительных контактов возрастает.

1.8. ОТКЛЮЧЕНИЕ МАЛЫХ ЕМКОСТНЫХ
И ИНДУКТИВНЫХ ТОКОВ

Отключение малых емкостных токов (ненагруженных воздушных линий) может привести к значительным перенапряжениям [8]. Процесс отключения ненагруженной линии при наличии повторных пробоев показан на рис. 1.19, где С _л — емкость линии; U _ии L _и — напряжение источника и его индуктивность; С _п — емкость элементов сети; i _с— емкостный ток линии; и ₁—напряжение сети; u ₂ — напряжение на линии;   — наибольшее напряжение при первом повторном пробое;  — наибольшее напряжение при втором повторном пробое; t ₀ — первый переход тока через нуль, t _п — второй переход тока через нуль (между контактами выключателя восстанавливается напряжение , которое примерно через 10 мсек в момент t _п после отключения достигает своего максимального значения.

При протекании емкостного тока i _c через индуктивность L _и возникает падение напряжения u_L, которое находится в противофазе к напряжению u ₂на емкости С_л. При отключении i _c на левом выводе ДУ ВВ происходит скачек напряжения, равный амплитуде u _L = u _Lm.

Рис. 1.19. Процесс отключения ненагруженной линии

 

После размыкания дугогасительных контактов в ВВ дуга емкостного тока гасится обычно при первом переходе тока через нуль. В момент гашения дуги напряжение имеет амплитудное значение. До такого напряжения и остается заряженной емкость С_л (рис. 1.19, б), после того как она оказалась отделенной от питающей сети. На левом выводе напряжение продолжает изменяться по синусоидальному закону и через половину периода достигает амплитудного значения, но с обратным знаком. В этот момент напряжение между дугогасительными расходящимися контактами достигает удвоенной амплитуды напряжения сети. Если напряжение, восстанавливающееся между этими контактами, превысит электрическую прочность межконтактного промежутка, то может произойти повторное зажигание дуги, и емкость линии будет перезаряжаться в колебательном процессе с последующим увеличением кратности перенапряжений.

При данном виде испытаний, в частности, для выключателя 220 кВ с наибольшим рабочим напряжением U _н.р = 252 кВ, амплитуда напряжения должна быть 2 U _н.р [ ], где  = 1,4, нормированный ток 125 А, который увеличивается с ростом номинального напряжения и составляет, например, для ВВ с U _ном = 500 кВ значение 500 А.

Отключение малых индуктивных токов. В процессе отключения малых индуктивных токов в межконтактном промежутке возникает дуга. Так как отключаемые токи не более 10-40 А то, в частности, мощное газовое дутье в воздушном выключателе разрывает ток до естественного перехода тока через нуль (срез тока). В вакуумных выключателях, вследствие высокой скорости нарастания электрической прочности межконтактного промежутка и физических особенностей образования и горения дуги в вакууме, дуга также может погаснуть до естественного перехода тока через нуль (срез тока). В результате среза тока, запасенная в индуктивной нагрузке энергия , где L — индуктивность нагрузки (трансформатор, двигатель, реактор); i ₀ — ток в индуктивности (в момент среза тока), переходит в емкость нагрузки C, и возникают значительные перенапряжения, которые могут привести к пробою изоляции электрооборудования (рис. 1.20). Для схемы замещения (см. рис. 1.20, а) в момент t ₀ произошел срез тока, при этом мгновенное значение напряжения на емкости равнялось U ₀. В отключаемой части цепи в момент обрыва тока была накоплена энергия  в магнитном поле индуктивности L нагрузки и энергия  в емкости С. Под воздействием этой энергии в отключаемой части цепи возникают колебания напряжения (см. рис. 1.20, б).

 

Рис. 1.20. Схема замещения (а) и перенапряжения в процессе «среза» (б) малого индуктивного тока вакуумным выключателем

 

Максимальное напряжение  на оборудовании в первом приближении может быть определено так:

 

_.

Высокочастотные колебания напряжения со стороны источника определяются как , а со стороны нагрузки —  [6]. Напряжение, восстанавливающееся на контактах выключателя, равно  (см. рис. 1.20, б, заштрихованная область).

Наиболее совершенная защита изоляции электрооборудования от опасных перенапряжений обеспечивается нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН).

Принято считать, например, для вакуумных выключателей, что если фирма-производитель гарантирует ток среза не выше 3 А, то можно не использовать ОПН. Однако в эксплуатации ток среза зависит от многих факторов: волнового сопротивления нагрузки z_н в момент среза тока, режимов коммутации, эрозии контактов и т. д. Существенно влияет на ток среза и суммарная приведенная емкость, шунтирующая межконтактный промежуток, с ростом которой ток среза увеличивается. Согласно экспериментам, ток среза зависит от величины суммарной емкости , шунтирующей выключатель (рис. 1.20, а): i₀ = mC _c^a, где m, a — эмпирические коэффициенты.

Поэтому проблема среза тока (использования ОПН или других схем защиты от перенапряжений) в ВВ требует дополнительного изучения и согласования между эксплуатационной организацией с фирмой-производителем.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА ОТКЛЮЧЕНИЯ
В ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ