Особенности управляемой коммутации при нормальных и аварийных режимах в электрических сетях среднего напряжения

11.12.2018

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ ПРИ НОРМАЛЬНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

FEATURES OF CONTROLLED SWITCHING UNDER NORMAL AND EMERGENCY OPERATING CONDITIONS IN MEDIUM VOLTAGE NETWORKS

Дмитрий Анатольевич Павлюченко,

кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой систем электроснабжения предприятий,

Новосибирский государственный технический университет,

630073, г. Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20,

e-mail: d_pavluc@mail.ru

Дмитрий Евгеньевич Шевцов,

ассистент кафедры систем электроснабжения предприятий,

Новосибирский государственный технический университет,

630073, г. Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20,

e-mail: dmitriy_shevtsov@mail.ru

D. Pavlyuchenko,

Ph.D., Associate Professor,

Head of Power Supply Systems Department,

Novosibirsk State Technical University,

Russia, 630073, Novosibirsk, Prospekt K. Marksa, 20,

e-mail: d_pavluc@mail.ru

D. Shevtsov,

Teaching Assistant of Power Supply Systems Department,

Novosibirsk State Technical University,

Russia, 630073, Novosibirsk, Prospekt K. Marksa, 20,

e-mail: dmitriy_shevtsov@mail.ru

Аннотация

В статье рассматривается концепция управляемой коммутации в электрических сетях среднего напряжения. Представлены основные ее принципы и особенности как для нормальных, так и аварийных режимов работы. Определены преимущества использования данной концепции.

Ключевые слова: управляемая коммутация, нормальный режим, аварийный режим, броски тока, перенапряжения, время горения дуги, синхронный выключатель.

Abstract

The paper deals with the concept of controlled switching for medium voltage networks. Main principles and main features at switchings under normal and emergency conditions are presented. Advantages of controlled switching are determined.

Keywords: controlled switching, normal operating conditions, emergency conditions, inrush currents, overvoltages, arcing time, controlled (synchronous) circuit breaker.

Изменение нормального режима работы электрической сети посредством проведения коммутаций выключателями или возникновение аварийного режима – короткого замыкания – сопровождаются переходными процессами, которые физически представляют собой перераспределение накопленной энергии между индуктивными и емкостными элементами сети. При этом отключение может сопровождаться повышенными высокочастотными напряжениями, включение – значительными бросками тока, а аварийный режим – сверхтоками. Это, в конечном счете, приводит к негативному влиянию на электрические параметры сети и ускоренному износу оборудования.

В настоящее время в качестве защитно-коммутационного оборудования в электрических сетях средних классов напряжения приоритетно рекомендуется устанавливать вакуумные выключатели. Причем и в России, и в мире отчетливо прослеживается тенденция расширения их доли [1]. В Европе и США доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов составляет более 70 %, а в Японии она равна 100 %. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и уже составляет более 50 % [2]. Такие выключатели отличаются высокой надежностью, простотой конструкции и уменьшенными затратами на обслуживание.

Однако вместе с положительными эксплуатационными свойствами вакуумные выключатели имеют и отрицательные: при коммутациях могут возникать опасные перенапряжения и броски тока. По результатам исследований [3] активное внедрение вакуумных выключателей в сетях 6-10 кВ предприятий привело к росту однофазных замыканий на землю, спровоцированных коммутационными перенапряжениями.

В выключателях могут возникать такие неблагоприятные явления как предпробои при включении, срез тока до естественного перехода через ноль, повторные пробои при отключении, связанные с недостаточной прочностью межконтактного промежутка в начальный интервал времени после гашения дуги. Все эти явления повышают кратность перенапряжений и вероятность их появления.

Срез тока характерен для выключателей любого применяющегося в настоящее время типа дугогашения: маломасляных, вакуумных, элегазовых. В вакуумных выключателях причиной среза тока является неустойчивость дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов. Срез тока вызывает освобождение энергии, запасенной в магнитном поле индуктивностей, которая в процессе обмена оказывается сосредоточенной на обкладках конденсаторов цепи [4].

Возникновение предпробоев также может создавать опасные для оборудования перенапряжения. Число предпробоев и кратность перенапряжений, возникающих при них, определяются характером изменения прочности диэлектрической среды между сближающимися контактами и способностью выключателя гасить высокочастотные токи [4].

Повторные зажигания дуги в выключателе при качественном контактном материале могут возникать при низкой диэлектрической прочности межконтактного промежутка после гашения дуги. Вакуумные выключатели обладают высокой дугогасящей способностью, позволяющей гасить дугу в первые нули высокочастотных токов (100-200 кГц). В результате этого могут возникать высокочастотные перенапряжения.

Актуальным направлением, позволяющим использовать преимущества вакуумных выключателей, и при этом минимизировать недостатки, связанные с возникновением перенапряжений и бросков тока при коммутациях при нормальных режимах работы, а также снизить электрическое воздействие токов аварийного режима на сам выключатель, является применение управляемой (синхронной) коммутации.

Преимущества управляемой коммутации

Концепция управляемой или синхронной коммутации представляет собой последовательную пофазную коммутацию по заданному алгоритму при переходе синусоиды тока (напряжения) через ноль. Такая коммутация позволяет предотвращать появление опасных бросков тока и перенапряжений, увеличивать коммутационный ресурс оборудования.

Использование управляемой коммутации в нормальном режиме эффективно как при включении, так и при отключении цепи. В рабочих режимах управляемое включение выключателя на реактивную нагрузку позволяет существенно уменьшить броски тока, а при управляемом отключении снизить вероятность повторных пробоев и, как следствие, возникновения перенапряжений.

Управляемое отключение токов короткого замыкания дает возможность сократить время горения дуги до минимальных значений, обеспечивая уменьшение электрической эрозии частей дугогасительного устройства и повышение ресурса выключателя [5].

Общие принципы управляемой коммутации при нормальных режимах

Основная цель управляемой коммутации нормальных рабочих режимов состоит в уменьшении кратностей перенапряжений и амплитуды переходных токов.

Управляемое отключение

Управляемое отключение осуществляется путем размыкания контактов выключателя в строго определенный момент времени с опережением момента перехода отключаемого тока через ноль. Время горения дуги в этом случае значительно сокращается, так как количество энергии, выделяющейся в дуге, намного уменьшается. Управление моментом размыкания контактов предотвращает отказы работы выключателей и снижает воздействие в целом на сеть.

В синхронном коммутационном аппарате необходимо очень точно подать сигнал на размыкание контактов до момента времени перехода тока через ноль и создать большую скорость движения контактов, чтобы к моменту нулевого значения тока и погасания дуги расстояние между контактами было достаточным для обеспечения необходимой электрической прочности промежутка и исключения возможности повторного зажигания дуги. Точность подачи импульса на отключение определяется синхронизирующим устройством, а большая скорость движения контактов создается специальным приводом.

Рис. 1. Принцип управляемого отключения

                                                                                                                                                     (1)

                                                                                                                                                     (2)

На рис. 1 объясняется принцип синхронного отключения. На синхронизирующее устройство в случайный момент времени t_command подается команда на отключение выключателя. Эта команда задерживается контроллером на некоторый промежуток времени T_total. Интервал времени T_total в соответствии с (1) представляет собой сумму времени реакции контроллера T_w и преднамеренной задержки времени синхронизации T_cont. Интервал времени T_cont рассчитывается по (2) относительно определенного момента перехода тока через ноль и зависит от собственного времени отключения выключателя T_opening и времени расхождения контактов на определенное расстояние, достаточное для обеспечения необходимой электрической прочности промежутка t_separate [6].

Точное управление временем t_separate, которое соответствует моменту времени полного расхождения контактов, фактически определяет время горения дуги T_arcing. Собственное время отключения T_opening является интервалом времени от момента подачи питания катушке привода выключателя до момента начала расхождения контактов выключателя. T_zero – интервал времени, необходимый для достижения положительного значения T_cont, показанного на рис. 1.

Управляемое включение

Управляемое включение представляет собой процесс замыкания контактов выключателя в строго определенный момент времени с опережением момента перехода напряжения источника через ноль. В рабочих режимах включение реактивной нагрузки сопровождается бросками тока. При этом, чем дальше момент включения от нулевого значения напряжения на разрыве, тем выше броски тока. Управляемое включение выключателя на реактивную нагрузку позволит существенно уменьшить броски тока.

Рис. 2. Принцип синхронного включения

                                                                                                                                                    (3)

Для осуществления операции управляемого включения синхронизирующее устройство отслеживает напряжение источника питания. Случайным образом подается команда включения выключателя в момент времени t_command. На рис. 2 представлен принцип синхронного включения индуктивной нагрузки. Оптимальным временем включения является пик напряжения при условии, что время предпробоев при включении меньше полупериода. Контроллер задерживает команду на включение на некоторое время T_total, которое по (1) является суммой времени реакции контроллера T_w и преднамеренной задержки времени синхронизации T_cont.

Контроллер вводит задержку T_cont относительно соответствующего перехода напряжения источника через ноль, которая рассчитывается по (3) с учетом времени включения выключателя T_closing и времени предпробоев T_prestriking. Ток начинает течь в момент времени t_make. Интервал T_m определяется временем t_make и следующим за ним временем перехода напряжения источника через ноль.

Время включения T_closing есть интервал времени от момента подачи питания на катушку включения выключателя до момента механического касания контактов. Время предпробоев при включении T_prestriking – это интервал времени между моментом начала предпробоев и моментом механического касания контактов. Время T_making является промежутком времени от момента подачи питания на катушку включения до момента начала предпробоев t_make [6].

Особенности коммутации при нормальных режимах

Наибольшие значения перенапряжений и бросков тока возникают при коммутации реактивных элементов. При этом наиболее характерными случаями возникновения высоких значений бросков тока являются включение конденсаторной батареи или ненагруженного трансформатора. Опасные уровни перенапряжений появляются при коммутации таких присоединений как ненагруженная линия, электродвигатель, ненагруженный трансформатор, конденсаторная батарея.

Например, при включении конденсаторных батарей броски тока могут достигать значений в десятки раз превосходящих номинальный ток [7]. Отключение конденсаторных батарей сопровождается большими кратностями перенапряжений (до 5U_ф) при наличии повторных пробоев.

В электрических сетях отключение ненагруженного трансформатора приводит к появлению перенапряжений до 5U_ф. На амплитуду перенапряжений оказывает влияние мощность отключаемого трансформатора и емкость элементов сети подключенных к его зажимам. При включении ненагруженного трансформатора возникает бросок тока намагничивания, который может доходить до 10I_ном. Также следует отметить наличие перенапряжений, сопровождающих процесс включения трансформатора. Существенное влияние на величину броска тока намагничивания оказывает остаточный магнитный поток, момент замыкания контактов, мощность трансформатора, длина линии [8].

Коммутация ненагруженных линий может приводить к перенапряжениям как при включении, так и при отключении линий. Перенапряжения могут достигать 4,5U_ф. Управляемая коммутация может быть особенно эффективна при автоматическом повторном включении, когда на линии остается заряд и перенапряжения могут достигать больших значений [9].

Включение электродвигателей может сопровождаться перенапряжениями величиной до 3,5U_ф. Включение двигателя в процессе АВР или АПВ при несинхронном остаточном напряжении двигателя повышает возможные перенапряжения по сравнению с обычным включением до уровня 4,5U_ф. Перенапряжения при отключении электродвигателей связаны с особенностями работы дугогасящих камер (срез тока и повторные пробои). Наиболее опасно отключение неподвижного двигателя, отмечаются перенапряжения до 6U_ф [4].

Как видно, включение и отключение нагрузки, имеющей значительную реактивную составляющую, приводит к существенному увеличению переходного напряжения и тока, что оказывает негативное воздействие на все элементы электрической сети. Реализация рассмотренных выше принципов управляемой коммутации позволит в значительной степени устранить эти последствия, а именно:

- избавиться от перенапряжений и продлить срок службы трансформаторов;

- избежать повышенных электродинамических нагрузок на обмотки трансформаторов и использовать более простые и чувствительные виды релейной защиты из-за коммутации трансформаторов без бросков тока намагничивания;

- избавиться от перенапряжений при коммутации электродвигателей, продлить срок их службы и отказаться от применения защиты от перенапряжений;

- избавиться от коммутационных перенапряжений на кабельных линиях. Особенно актуально при использовании современных кабелей из сшитого полиэтилена;

- ограничить броски тока и повторные зажигания при коммутациях конденсаторных батарей.

Общие принципы управляемой коммутации при аварийных режимах

В отличие от коммутации токов нормального режима коммутация аварийных токов должна быть осуществлена как можно быстрее, т.к. длительное протекание тока короткого замыкания может вызвать повреждение оборудования. Поэтому в этом режиме нет возможности выжидания наилучшего с точки зрения уменьшения перенапряжений момента времени коммутации. Однако в аварийном режиме возможно минимизировать воздействие сверхтока на выключатель за счет снижения времени горения дуги в дугогасительной камере.

При отключении короткого замыкания минимальное время горения дуги представляет собой наименьшее время, за которое контакты выключателя расходятся на расстояние достаточное для успешного гашения дуги при первом переходе тока через ноль. Максимальное время горения дуги возникает, когда выключатель не может произвести успешное отключение при первом прохождении аварийного тока через ноль. Это происходит в том случае, когда разделение контактов выключателя начинается до первого перехода тока через ноль за время меньшее минимального времени горения дуги, что в результате приводит к существенному увеличению продолжительности горения дуги.

Безусловно, при неуправляемом отключении аварийного тока в большинстве случаев длительность горения дуги превосходит минимальную, а в некоторых случаях достигает максимальной величины. Избыток времени горения дуги добавляет электрическую эрозию частям дугогасительного устройства и снижает ресурс выключателя. Минимизация избытка времени горения дуги является основной целью управляемой коммутации в аварийном режиме [9].

Рис. 3. Принцип управляемого отключения в аварийном режиме

На рис. 3 поясняется принцип управляемого аварийного отключения. В произвольный момент времени t_sc происходит короткое замыкание. Через некоторое время t_response реле защиты обнаруживает аварийный режим и подает команду на отключение выключателя синхронизирующему устройству в момент времени t_command. Эта команда задерживается контроллером на некоторый промежуток времени синхронизации T_cont. Интервал времени T_cont рассчитывается по выражению (2) относительно собственного времени отключения выключателя T_opening и минимального времени горения дуги T_arcing, при котором происходит успешное отключение при первом переходе тока через ноль. Время t_separate, соответствует моменту времени полного расхождения контактов. T_zero – интервал времени от момента подачи команды на отключение до перехода тока через ноль, при котором происходит успешное отключение.

Использование принципов управляемой коммутации при отключении аварийного тока представляет собой гораздо более сложную задачу, чем для коммутации токов нормального режима. Наибольшая сложность заключается в прогнозировании моментов времени перехода тока через ноль из-за наличия апериодической составляющей переходного процесса. Однако данная задача может быть решена как с помощью традиционных математических методов, например наименьших квадратов, так и методов искусственного интеллекта. В случае же невозможности нахождения нулей тока отключение в аварийном режиме должно осуществляться по традиционной схеме.

Таким образом, реализация принципов управляемой коммутации в аварийном режиме позволит получить ряд преимуществ, непосредственно связанных с самим защитно-коммутационным аппаратом, а именно: снизить эрозию частей дугогасительного устройства и, как следствие, увеличить ресурс выключателя, а также улучшить характеристики выключателя – увеличить его отключающую способность.

Выводы

Применение принципов управляемой коммутации в вакуумных выключателях позволит уменьшить кратности перенапряжений и амплитуду бросков тока при коммутациях в нормальных режимах работы, а также снизить время горения дуги в выключателе при отключении аварийных режимов. Это, в конечном счете, позволяет улучшить показатели качества электрической энергии, увеличить срок службы оборудования и улучшить коммутационные характеристики выключателя.

Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития НГТУ, проект С-6

Список литературы

1.      Кравченко А.Н., Метельский В.П. Вакуумные выключатели нагрузки зарубежных производителей // Электрик. – 2013. – №3. – С. 14-17.

2.      Иванов А.В., Дегтярёв И.Л. Теоретическое и экспериментальное исследование электрофизических процессов и характеристик вакуумной дугогасительной камеры при коммутации электродвигателей // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело» – 2007. – №1. – Режим доступа:

http://www.ogbus.ru/authors/IvanovAV/IvanovAV_1.pdf (Дата обращения: 17.03.2015).

3.      Кудрявцев А.А. Исследование аварийности в сетях 6-10 кВ горно-металлургических предприятий // Новости электротехники. – 2009, – № 6. – С. 28-29.

4.      Евдокунин Г.А., Титенков С. С. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35кВ // СПб: Издательство Терция. – 2004. – 188 с., с ил.

5.      Бунин Р.А. Управляемый вакуумный разрядник с высокой отключающей способностью. – Диссертация на соискание уч.степени кандидата технических наук (05.09.01). – Москва, МЭИ. – 2014. – 167 с.

6.      Ачитаев А.А., Павлюченко Д.А., Прохоренко Е.В., Шевцов Д.Е. Применение синхронной коммутации для ограничения коммутационных перенапряжений // Главный энергетик. – 2014. – № 3. – С. 50-56.

7.      Кучинский Г. С, Назаров Н. И. Силовые электрические конденсаторы // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат. – 1992. – 320 с ил.

8.      Лебедев И.А. Исследование процессов коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки и разработка технических требований к синхронным вакуумным выключателям. – Диссертация на соискание уч.степени кандидата технических наук (05.14.12). – Новосибирск, НГТУ. – 2012. – 142 с.

9.      Белкин Г.С. Применение самоуправляемых аппаратов (аппаратов, обладающих «интеллектом») для коммутации цепей высокого напряжения // Электротехника. – 2005. – №12. – С. 3-9.