logo

Применение синхронной коммутации для ограничения коммутационных перенапряжений в электрических сетях 6(10) кВ

20.02.2019

Применение синхронной коммутации для ограничения коммутационных перенапряжений в электрических сетях 6(10) кВ

УДК 621.3.027.5

Андрей Александрович Ачитаев,

магистрант кафедры систем электроснабжения предприятий,

Новосибирский государственный технический университет,

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

e-mail: ac-an-alec@mail.ru

 

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

 

Евгений Валерьевич Прохоренко,

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры автоматики,

Новосибирский государственный технический университет,

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

e-mail: evgprox@gmail.com

 

Дмитрий Евгеньевич Шевцов,

аспирант кафедры систем электроснабжения предприятий,

Новосибирский государственный технический университет,

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

e-mail: dmitriy_shevtsov@mail.ru

Применение синхронной коммутации для ограничения коммутационных перенапряжений в электрических сетях 6 (10) кВ

При коммутации электрической нагрузки могут возникать перенапряжения, опасные для электрооборудования. Существующие средства ограничения перенапряжений (ОПН, RC-цепи) не могут повсеместно использоваться в силу своих особенностей. Принципиально иным способом снижения коммутационных перенапряжений является применение устройств синхронной (управляемой) коммутации. Такой способ позволяет осуществлять коммутацию в определенные моменты времени, и тем самым исключить саму причину возникновения коммутационных перенапряжений.

Ключевые слова: Синхронная коммутация, синхронный вакуумный выключатель, коммутационные перенапряжения.

1. Характеристика перенапряжений

При эксплуатации на изоляцию линий, подстанционного оборудования и высоковольтных электрических машин, наряду с длительным рабочим напряжением воздействуют кратковременные перенапряжения, т. е. всякое превышение мгновенным значением напряжения амплитуды наибольшего рабочего напряжения [1].

Важнейшей характеристикой перенапряжений на изоляции является их кратность, т. е. отношение максимального значения напряжения к амплитуде наибольшего рабочего напряжения на данной изоляционной конструкции (рис. 1):

К = Umax /  Uнр,                                                         (1)

где Umax – максимальное значение напряжения, кВ; Uнр – наибольшее амплитудное рабочее напряжение, кВ.


Рис. 1. Осциллограмма перенапряжений:

Umax – максимальное значение напряжения, Uнр – наибольшее амплитудное рабочее напряжение

Перенапряжения, возникающие в результате коммутации элементов электрической сети, носят название коммутационные. Как известно, коммутации в электрических сетях приводят к возникновению переходного процесса, который, по сути, является перераспределением накопленной энергии между индуктивными и емкостными элементами при переходе из одного состояния в другое. Подобный процесс не зависит от типа используемого выключателя, и перенапряжения, в этом случае, определяются только моментом коммутации контактов.

В реальных 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 это вызывает коммутационные перенапряжения.

В результате наложения таких неблагоприятных явлений на неудачный момент коммутации могут возникнуть большие значения перенапряжений, что приведет к выходу из строя дорогостоящего оборудования, а также к возможному появлению потенциала на его корпусе, представляющего большую опасность для жизни человека.

2. Современные средства ограничения коммутационных перенапряжений

Одним из эффективных средств снижения аварийности сетей 6 (10) кВ является применение комплекса мер ограничения перенапряжений. Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» «Выключатели переменного тока на напряжение от 3 до 1150 кВ. Указания по выбору» рекомендует в случае возникновения опасных уровней перенапряжений в сети использовать специальные средства ограничения.

В настоящее время широкое распространение получили такие способы снижения коммутационных перенапряжений как установка ОПН и применение RC-цепей [1,2-3]. Однако существуют определенные ограничения в применении названных устройств. ОПН не позволяют снизить перенапряжения до безопасного для современного энергетического оборудования уровня, так как снижают только амплитуду перенапряжений, но не частоту воздействующего напряжения.

Применение RC-цепей позволяет эффективно снижать перенапряжения за счет сглаживания частоты и амплитуды воздействующего напряжения. Однако их использование приводит к повышению токов однофазных замыканий на землю и к опасности возникновения резонансов при некоторых сочетаниях параметров сети.

Принципиально иным способом снижения коммутационных перенапряжений является применение устройств синхронной (управляемой) коммутации. Суть такой коммутации заключается во включении и отключении цепи в строго определенный момент времени.

3. Основные принципы синхронной коммутации

Синхронная коммутация по сравнению с обычной коммутацией обладает рядом технических и экономических преимуществ: уменьшение бросков тока, снижение опасных коммутационных перенапряжений, снижение отказов оборудования, сокращение количества текущих ремонтов и повышение срока службы коммутационных аппаратов [4,5].

К аппаратам с управляемой коммутацией предъявляются очень жесткие требования по стабильности времени включения и времени отключения. Разбросы времени срабатывания таких аппаратов должны лежать в пределах ± (1-2) мс в не зависимости от вида нагрузки, типа коммутации и температуры окружающей среды [6].

3.1. Синхронное отключение

Синхронное 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 систему электроснабжения.

Рис. 2. Принцип синхронного отключения:

tcommand – момент времени подачи команды на отключение, Ttotal – время задержки команды на отключение, Tw – время отклика синхронизирующего устройства, Tcont – время синхронизации команды на отключение по значению тока, Topening – собственное время отключения выключателя, Tarcing – время расхождения контактов выключателя (время гашения дуги), tseparate – момент времени, соответствующий полному отключению выключателя, N – число полупериодов, Tzero – продолжительность полупериода

На рис. 2 объясняется принцип синхронного отключения [4]. На синхронизирующее устройство в случайный момент времени tcommand подается команда на отключение выключателя. Эта команда задерживается контроллером на некоторый промежуток времени Ttotal. Интервал времени Ttotal представляет собой сумму времени реакции контроллера Tw и преднамеренной задержки времени синхронизации Tcont. Интервал времени Tcont рассчитывается относительно определенного момента перехода тока через ноль и зависит от собственного времени отключения выключателя Topening и времени расхождения контактов на определенное расстояние, достаточное для обеспечения необходимой электрической прочности промежутка tseparate:

                                                     (2)

                                       (3)

где Ttotal – время задержки команды на отключение, мс; Tw – время отклика синхронизирующего устройства, мс; Tcont – время синхронизации команды на отключение по значению тока, мс; N – число полупериодов, о. е.; Tzero – продолжительность полупериода, мс; Tarcing – время расхождения контактов выключателя (время гашения дуги), мс; Topening – собственное время отключения выключателя, мс.

Точное управление временем tseparate, которое соответствует моменту времени полного расхождения контактов, фактически определяет время гашения дуги, Tarcing. Собственное время отключения Topening является интервалом времени от момента подачи питания катушке привода выключателя до момента начала расхождения контактов выключателя. NxTzero – число полупериодов, необходимых для достижения положительного значения Tcont.

3.2. Синхронное включение

Синхронное включение представляет собой процесс замыкания контактов выключателя в строго определенный момент времени с опережением момента перехода напряжения источника через ноль. Управляемое включение выключателя на реактивную нагрузку позволит существенно уменьшить броски тока.


Рис. 3. Принцип синхронного включения:

tcommand – момент времени подачи команды на включение, Ttotal – время задержки команды на включение, Tw – время отклика синхронизирующего устройства, Tcont – время синхронизации команды на включение по значению напряжения, Tclosing – интервал времени от момента подачи питания на катушку включения выключателя до момента механического касания контактов, Tmaking – интервал времени от момента подачи питания на катушку включения до момента начала предразрядов, tmake – момент времени касания контактов, Tprestriking – время предразрядов, Tm – интервал времени от момента начала предразрядов до первого перехода напряжения через ноль, N – число полупериодов, Tzero – продолжительность полупериода

Для осуществления операции управляемого включения синхронизирующее устройство отслеживает напряжение источника питания. Случайным образом подается команда включения выключателя в момент времени tcommand. На рис. 3 представлен принцип синхронного включения индуктивной нагрузки [4]. Оптимальным временем включения является пик напряжения, при условии, что время предпробоев при включении меньше полупериода. Контроллер задерживает команду на включение на некоторое время Ttotal, которое является суммой времени реакции контроллера Tw и преднамеренной задержки времени синхронизации Tcont.

Контроллер вводит задержку Tcont, относительно соответствующего перехода напряжения источника через ноль, которая рассчитывается по (4) с учетом времени включения выключателя Tclosing и времени предразрядов Tprestriking. Ток начинает течь в момент времени tmake. Интервал Tm определяется временем tmake и следующим за ним временем перехода напряжения источника через ноль.

                                                     (4)

                                            (5)

где Ttotal – время задержки команды на включение, мс; Tw – время отклика синхронизирующего устройства, мс; Tcont – время синхронизации команды на включение по значению тока, мс; N – число полупериодов, о. е.; Tzero – продолжительность полупериода, мс; Tm – интервал времени от момента начала предразрядов до первого перехода напряжения через ноль, мс; Tclosing – интервал времени от момента подачи питания на катушку включения выключателя до момента механического касания контактов, мс; Tprestriking – время предразрядов, мс; Tm – интервал времени от момента начала предразрядов до первого перехода напряжения через ноль, мс; Tmaking – интервал времени от момента подачи питания на катушку включения до момента начала предразрядов, мс.

3.3. Алгоритмы синхронной коммутации

В трехфазной сети переменного напряжения напряжение каждой фазы пересекает ноль в разные моменты времени, поэтому для осуществления переключения сети с минимальными переходными процессами имеются специальные алгоритмы коммутации.

В случае системы с глухозаземленной нейтралью алгоритм синхронной коммутации имеет следующий вид. Коммутацию фаз необходимо провести последовательно при условии прохождении через ноль советующей фазы с задержкой по времени, выраженной следующей зависимостью [5]:

                                              (6)

где f – частота сети, f=50 Гц.

В случае системы с изолированной нейтралью необходимо одновременно произвести коммутацию двух фаз и через 90 электрических градусов после произвести коммутацию третей фазы. Также возможен вариант коммутации одной фазы при её прохождении через ноль с последующей коммутации двух, которая соответствует задержке в 90 электрических градусов:

                                                (7)

На рис. 4 представлены временные интервалы чередования коммутации фаз, имеющие место при различных режимах нейтрали системы. Это позволит создать условия, при которых возможны минимальные уровни перенапряжения.

Рис. 4. Временные интервалы чередования коммутации фаз

4. Устройства синхронной коммутации

Попытки создания устройств синхронной коммутации в СССР осуществлялись начиная с середины ХХ века (например, [7,8]). За рубежом также ведутся аналогичные разработки, многие из которых отражены в патентных документах [6]. Была создана специальная рабочая группа 13.07 CIGRE, которая занималась исследованием процессов управляемой коммутации высоковольтных выключателей (например, [9]). Основной особенностью всех приведенных работ является то, что они касаются высоковольтных выключателей – выключателей на классы напряжения 110 кВ и выше, которые эксплуатируются в сетях с заземленной нейтралью, а средой дугогашения является не вакуум.

На сегодняшний день имеется ряд разработок устройств синхронной коммутации, среди которых можно выделить следующие. Компания ABB предлагает [10] серию устройств синхронизации «Switchsync» для колонковых элегазовых высоковольтных выключателей (72,5 кВ и выше), цель которых (в зависимости от модели устройства синхронизации) – включение или отключение шунтирующих реакторов, конденсаторных батарей, силовых трансформаторов или включение ненагруженных линий. Для высоковольтных баковых выключателей (и других однополюсных выключателей) фирмой ABB предлагается использовать устройство «Switching Control Sentinel (SCS)» [11], принцип действия и коммутируемая нагрузка которого аналогичны устройству Switchsync. Недостатками указанных устройств является то, что они могут использоваться только с высоковольтными выключателями на классы напряжения 72,5 кВ и выше и не могут использоваться для коммутации выключателей на классы напряжения 6 (10) кВ, а также отсутствие универсальности и возможности работы при всех возможных ситуациях

Несколько частных решений синхронной коммутации предлагает фирма Joslin Hi-Voltage (США). Примером является устройство «Point on Wave Control» [12], устанавливаемое совместно с выпускаемыми указанной фирмой вакуумными выключателями. Недостатком устройства является то, что оно может быть использовано только для синхронного включения трансформаторов, позволяющего избежать бросков тока намагничивания, но не может быть использовано для других видов коммутации. Другим частным решением компании Joslin Hi-Voltage является устройство синхронного включения конденсаторных батарей, позволяющее избежать бросков тока – «Digital Zero Voltage Closing (ZVC)» [13]. Устройство обладает теми же недостатками, что и [12]. К недостаткам устройства [12] необходимо добавить устаревшую элементную аналоговую базу.

В России в настоящее время во «Всероссийском электротехническом институте им. В.И.Ленина» ведется разработка вакуумного выключателя, совмещенного с вакуумным управляемым разрядником, и способного подключать конденсаторные батареи к сети без бросков тока [14]. Недостатками разрабатываемого устройства являются большие габариты устройства - управляемый вакуумный разрядник идентичен по габаритным показателям используемой вакуумной дугогасящей камере, поэтому, фактически, а вдвое больше обычного выключателя, неуниверсальность решения – устройство может использоваться только для коммутации конденсаторных батарей и не имеет алгоритмов по коммутации других типов нагрузки.

Рассмотренные решения не являются комплексными, и не могут быть широко использованы на классах напряжения 6 (10) кВ, где количество нагрузки, требующей синхронной коммутации, велико по сравнению с высокими классами напряжения, а сама нагрузка может быть очень разнообразной.

5. Синхронный вакуумный выключатель

Одним из представителей устройств, полностью реализующего технологию управляемой коммутации в сетях 6(10) кВ, является синхронный вакуумный выключатель типа EX-BBC SMARTIC 6(10)-20/1000 У3 [15]. Внешний вид выключателя показан на рис. 5. Этот выключатель является универсальным и реализует синхронную коммутацию любого вида нагрузки. В основу построения выключателя заложены принципы синхронной коммутации, приведенные в п.3.


Рис. 5. Синхронный вакуумный выключатель EX-BBC SMARTIC

Система автоматического управления (САУ) построена таким образом, чтобы обеспечивать допустимый разброс начала движения контактов ВДК Δt и t0 и необходимую скорость восстановления электрической прочности за счет заданной скорости движения контактов. Функциональная схема представлена на рис. 6. Схема содержит контуры обратных связей, сформированные датчиками тока I и датчиками напряжения U, которые расположены на каждой из фаз А, В и С трехфазной сети. Сигналы, с датчиков через устройства сопряжения УСО, поступают для дальнейшего анализа в микропроцессорный блок с интегрированной памятью, силовой схемой управления независимыми друг относительно друга фазными приводами (ЭМП), интерфейсом связи RS-485. Статику и динамику работы системы с независимой коммутацией фаз определяют режимы работы электромагнитных фазных приводов прямого действия на контактную группу вакуумной камеры, параметры вакуумной дугогасительной камеры ВДК. Обеспечение заданных динамических характеристик осуществляет программно-аппаратный комплекс SMARTIC, причем для обеспечения требуемой динамики работы ЭМП используется система с отрицательной замкнутой обратной связью по току (перемещению), при этом сигналы формируются с помощью датчиков обратных связей (например, датчики тока, акселерометры), интегрированных в ЭМП и САУ. Надежность работы САУ обеспечивается встроенным стабилизированным источником питания.


Рис. 6. Функциональная схема системы автоматического управления синхронным вакуумным выключателем

Ниже представлено сравнение обычного выключателя и синхронного вакуумного выключателя EX-BBC SMARTIC.

Таблица 1

Сравнительная оценка выключателей

Обычный выключатель

EX-BBC SMARTIC

Отсутствие возможности независимой коммутации фаз

Программно-аппаратный комплекс блока синхронизации и управления

Отсутствие оценки ресурса коммутационного аппарата

Алгоритм оценки ресурса выключателя

Отсутствие возможности коррекции динамики контактной группы при износе

Использование алгоритмов автоматического регулирования

Отсутствие анализа коммутационных процессов

Встроенный цифровой регистратор (осциллограф)

Отсутствие интеграции в сеть передачи данных

Интерфейс связи RS-485

Отсутствие самодиагностики

Алгоритмы самодиагностики

 

Заключение

    Синхронный вакуумный выключатель выполняет функции обычного выключателя – коммутирует номинальные токи нагрузки и отключает токи короткого замыкания, однако выполняет это с учетом многих дополнительных факторов: типа нагрузки, особенностей выключателя и т.д. Это дает возможность значительно снизить коммутационные перенапряжения и броски тока и тем самым отказаться от дорогостоящих средств защиты, либо повысить надежность и качество работы существующих систем и устройств предназначенных для минимизации перенапряжений.

    Применение синхронного вакуумного выключателя в электрических сетях 6 (10) кВ позволит существенно улучшить качество электроснабжения потребителей, повысить безопасность эксплуатации и увеличить срок службы электроустановок.

Список литературы

1.     Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений// Под ред. Халилова Ф.Х., Евдокунина Г.А., Таджибаева А.И.-Санкт-Петербург.-Энергоатомиздат.-2002.-270 с.

2.     Кадомская К.П., Лавров Ю.А., Рейхерд А.А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 368 с.

3.     Лебедев И.А., Прохоренко Е.В. Исследование возможности создания вакуумного выключателя для синхронного отключения ненагруженных трансформаторов // Электро. 2011. №3. С.40-44.

4.     CIGRE WG 13.07, Controlled switching of HVAC circuit breakers: planning, specification and tasting of controlled switching systems.// Electra: CIGRE's Bilingual Bimonthly Journal for Power System Professionals, Paris, France, No. 197, pp.23–733, 2001.

5.     Goldsworthy D., Roseburg T., Tziouvaras D., Pope J. Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers: Application Examples and Benefits. 61st Annual Conference for Protective Relay Engineers, Texas, USA, No. 197, pp 520 – 535, April 2008.

6.     Клепарская Л.Г. Синхронизированные выключатели // М.: Энергия. – 1973. – 112 с.

7.     Буткевич Г.В., Клепарская Л.Г., Набатов В.Ф. Наибольшее допустимое время расхождения контактов воздушных выключателей для синхронизированного отключения// Электричество. – 1969. – №8. – с. 6-13.

8.     Кадомская К.П., Несговоров Е.С., Петракова Л.В., Пономарев В.С. Ограничение внутренних перенапряжений с помощью управления моментами коммутации выключателей // Электричество. – 1969. – № 9. – с. 10-14.

9.     CIGRE WG 13.07 «Controlled Switching of HVAC Circuit-Breakers Guide for Application» Part 1: Electra: CIGRE's Bilingual Bimonthly Journal for Power System Professionals, Paris, France, No 183, pp 43-73, April 1999, Part 2: Electra: CIGRE's Bilingual Bimonthly Journal for Power System Professionals, Paris, France, No 185, pp. 37-57, August 1999.

10. Document ID 1HSM 9543 22-01en, Controlled Switching, Buyer´s & Application Guide. ABB, Ludvika, Sweden, Edition 4, August 2013, p. 54.

11. Document ID 2GNM11001B, Product Brochure. Switching Control Sentinel. ABB, Mount Pleasant, USA, September 2013, p. 8.

12. DB 750-205. Transmaster: Electric Arc Furnace Switches. Joslin Hi-Voltage, Cleveland, USA, January 2007, p. 8.

13. DB 750-238. Distribution Capacitor Switch. Joslin Hi-Voltage, Cleveland, USA, October 2007, p. 4.

14. Патент на полезную модель №55222 РФ. Устройство управления конденсаторным регулятором напряжения/ Д.Ф.Алферов, Г.С.Белкин, Ю.А. Горюшин, В.Н.Ивакин, В.П. Иванов, В.Г. Киракосов, В.И. Кочкин, А.А.Маслов, О.П.Нечаев, В.А.Сидоров // Опубликовано в бюллетене, 2006, №21.

15. Патент на изобретение № 2432635 Синхронный вакуумный коммутационный аппарат/ Е.В. Прохоренко, С.И. Одокиенко, И.А.Лебедев // Опубликовано в бюллетене, 2011, №30.


Возврат к списку

Взаимовыгодное
сотрудничество

Команда профессионалов

Предлагаем расти и
развиваться вместе

Современные решения

Закрыть