logo

Применение синхронного вакуумного выключателя для коммутации группы двигателей

15.01.2019

Применение синхронного вакуумного выключателя для коммутации группы двигателей

УДК 621.3.027.5

 

Применение синхронного вакуумного выключателя в городских электрических сетях

 

Ачитаев А.А., магистрант; Павлюченко Д.А., канд. техн. наук, доцент,

зав. каф. систем электроснабжения предприятий; Прохоренко Е.В., канд. техн. наук, доцент каф. автоматики; Шевцов Д.Е., аспирант каф. систем электроснабжения предприятий.

Новосибирский государственный технический университет,

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

Рассмотрена тенденция развития коммутационных аппаратов среднего напряжения, а также основные достоинства и недостатки вакуумных выключателей традиционной конструкции. Показан опыт применения вакуумного коммутационного аппарата, реализующего принцип синхронной коммутации как эффективного средства снижения коммутационных перенапряжений и бросков тока в городских электрических сетях 6-10 кВ.

Предложенным алгоритмом синхронной коммутации удалось уменьшить броски тока при включении с 2,1·Iпуск до 1,1·Iпуск, полностью исключить перенапряжения, повысить коммутационный ресурс выключателя.

 

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

 

Тенденция развития коммутационных аппаратов среднего напряжения

     

        В сетях 6-10 кВ применяются выключатели следующих видов: маломасляные, элегазовые, вакуумные. Причем и в России, и в мире отчетливо прослеживается тенденция расширения доли вакуумных выключателей, что видно из рис. 1 [1]. В Европе и США доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов составляет 70 %, а в Японии она равна 100 %. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и в настоящее время составляет более 50 % [2].


Рис. 1. Тенденция развития выключателей среднего напряжения

 

Преимущества вакуумных коммутационных аппаратов

    Рост использования вакуумных выключателей на среднем напряжении объясняется их преимуществами перед другими типами выключателей. Ниже рассмотрены основные преимущества.

1. Вакуумные выключатели обладают высокой надежностью. Вакуумный выключатель практически не обслуживается в течение всего срока службы. Осмотр и периодические проверки вакуумных выключателей рекомендуется проводить один раз в 3-5 лет (табл. 1). Во время этих проверок необходимо выполнить высоковольтные испытания вакуумной дугогасительной камеры и изоляции выключателя, а также проверить переходное сопротивление контактов. В некоторых случаях рекомендуется проверить время включения и отключения главных цепей и работоспособность вспомогательных блок контактов.

Таблица 1

Обслуживание и ремонт выключателей 6-10 кВ


Операции технического обслуживания и ремонта

Тип выключателя

 

Маломасляный

Вакуумный

 

Осмотр

1 раз в 6 месяцев или после операции «О» короткого замыкания

Один раз в 3-5 лет

Текущий ремонт

1 раз в год

 

Не требуется

Средний ремонт

Не реже 1 раза в 4 года

 

Не требуется

Капитальный ремонт

1 раз в 6-8 лет или после 3000 операций «ВО» или после шести операций «О» короткого замыкания

Не требуется


 

2. Низкие массогабаритные характеристики аппаратов. Развитие вакуумных выключателей связано с тем, что вакуум является идеальной изоляционной средой. Электрическая прочность изоляционного межконтактного промежутка в вакууме значительно выше, а длина дуги значительно меньше, чем в маломасляных и элегазовых выключателях. Это позволяет существенно снизить габариты вакуумного выключателя.

3. Высокий коммутационный и механический ресурс. Высокий механический ресурс вакуумных выключателей обусловлен, в первую очередь, тем, что ход контактов вакуумной дугогасительной камеры составляет от 6 до 10 мм на напряжения 6-10 кВ. Для маломасляных выключателей на эти же напряжения ход контактов достигает 100-200 мм, а, следовательно, применяется более сложная конструкция привода, требующая больших затрат энергии на включение и отключение выключателя, что приводит к необходимости постоянного ухода и проверок состояния деталей привода, что также повышает эксплуатационные расходы на содержание выключателя.

Как видно из табл. 2, при примерном соответствии срока службы коммутационный ресурс вакуумных выключателей в 5 раз больше элегазовых и почти 17 раз больше, чем у маломасляных выключателей.

3. Низкие эксплуатационные затраты. Низкие затраты вакуумных выключателей определяются отсутствием необходимости содержания масляного и компрессорного хозяйств, кроме того вакуумная дугогасительная камера не требует пополнения дугогасящей среды и использования специализированных защитных средств, например, необходимых при обслуживании (утилизации) аппаратов с элегазом SF6. Высокая коммутационная износостойкость позволяет значительно сократить расходы по обслуживанию вакуумных выключателей, а также перерывы в электроснабжении, связанные с выполнением регламентных работ.

4. Экологическая безопасность оборудования. В мире ужесточаются требования по экологической безопасности оборудования, и решения, которые раньше считались приемлемыми, сегодня подвергаются пересмотру. Так законодательство России и стран-участниц Монреальского протокола запрещают выброс в атмосферу фторосодержащих веществ, к которым относится элегаз. Поэтому для обеспечения безопасности и выполнения современных экологических требований, повышения качества и культуры эксплуатации при внедрении элегазового оборудования необходимо оснащение предприятий распределительного электросетевого комплекса современными газотехнологическими аппаратами. Необходимо также оборудование для очистки элегаза и утилизации продуктов его разложения. Это требует серьезных финансовых затрат. Использование вакуумных выключателей идеально с экологической точки зрения.

5. Широкий температурный диапазон работы вакуумных выключателей (от -45 до +55 оС) является важным преимуществом сравнительно с элегазовыми аппаратами. Это особенно актуально в условиях климата Сибири и других северных районов. Однако в любом случае нижний предел диапазона будет всегда определяться допустимой температурой работы релейной защиты и автоматики. Тем не менее, при эксплуатации вакуумных выключателей можно существенно сэкономить на обогреве распределительных пунктов.

6. Пониженное энергопотребление коммутационных аппаратов. Ход контактов вакуумной дугогасительной камеры очень мал по сравнению с другими типами камер. Это позволяет значительно уменьшить энергопотребление привода при включении и отключении выключателя.

В табл. 2 представлена сравнительная оценка основных эксплуатационных параметров базовых типов выключателей. Сравнение производилось для выключателей с одинаковыми техническими характеристиками (номинальное напряжение, ток и т.д.).

Таблица 2

Сравнение основных эксплуатационных параметров выключателей 6-10 кВ

Параметр

 

 

Элегазовый выключатель

Маломасляный выключатель

Вакуумный

выключатель

Номинальное напряжение, кВ

6

6

6

Номинальный ток, А

1000

1000

1000

Номинальный ток отключения, кА

20

20

20

Коммутационный ресурс, циклов ВО

10 000

3 000

50 000

Срок службы, лет

 

25

20

25

Масса, кг

 

≈130

≈150

≈50

Относительная стоимость (в сравнении с маломасляным выключателем), %

≈200

100

≈120

 

По своим эксплуатационным свойствам элегазовый выключатель сопоставим с вакуумным. Однако существенным недостатком элегазовых выключателей является их высокая стоимость. Стоимостной фактор можно, на первый взгляд, отнести к достоинствам маломасляных выключателей, но гораздо более значительные затраты на обслуживание и ремонт данных аппаратов исключают это преимущество

Из вышесказанного можно сделать вывод, что вакуумные коммутационные аппараты отличаются высокой надежностью, максимальным ресурсом, простотой конструкции, минимальными габаритами и массой аппарата в целом, минимальной энергией привода и уменьшенными затратами на обслуживание и эксплуатацию.

 

Недостатки вакуумных коммутационных аппаратов

   Вакуумные выключатели в настоящее время являются приоритетно рекомендуемым коммутационным оборудованием для использования в сетях средних классов напряжения. Однако вместе с положительными эксплуатационными свойствами таких выключателей наблюдаются и отрицательные: при коммутациях вакуумными выключателями могут возникать перенапряжения.

      По результатам исследований [3] активное внедрение вакуумных выключателей в сетях 6-10 кВ предприятий привело к росту однофазных замыканий на землю, спровоцированных коммутационными перенапряжениями. Там же указано, что число аварийных отключений, связанных с коммутационными перенапряжениями, возросло в среднем в 3,8 раза за 6 лет эксплуатации вакуумных выключателей (2002–2008 гг.).

   Основными причинами перенапряжений при коммутациях вакуумными выключателями являются срез тока и повторные зажигания дуги. 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. Современные вакуумные выключатели с хром-медными контактами позволяют получить токи среза до 5 А, что сопоставимо с токами среза элегазовых выключателей [4].

    Более того, при применении контактных материалов в вакуумной дугогасительной камере с особо малым током среза (менее 0,5А) неизбежно уменьшается отключающая способность аппарата. С другой стороны, применение особо чистых с точки зрения примесей и связных газов главных контактов вакуумной дугогасительной камеры приводит к повышению отключающей способности выключателя и что неприятно, повышенному току среза. Такая «вилка» приводит производителей к нахождению компромисса между отключающей способностью и минимизацией вредных перенапряжений.

  Кроме величины тока на перенапряжения при срезе влияют индуктивность нагрузки и емкость присоединения (длина воздушной или кабельной линии). Например, с ростом номинальной мощности отключаемой двигательной нагрузки коммутационные перенапряжения уменьшаются. При увеличении длины присоединения перенапряжения также уменьшаются.

     Повторные зажигания дуги в выключателе, при качественном контактном материале, могут возникать при низкой диэлектрической прочности межконтактного промежутка после гашения дуги, что соответствует малому расстоянию между контактами. Дальнейшее развитие процесса зависит от возможности гашения тока дуги, который содержит составляющие промышленной частоты, средних частот (единицы кГц) и высоких частот (сотни кГц). Вакуумные выключатели обладают высокой дугогасящей способностью, позволяющей гасить дугу в первые нули высокочастотных токов (100-200 кГц). В результате этого могут возникать высокочастотные перенапряжения. В настоящее время в полной мере решить проблему возникновения высокочастотных перенапряжений при коммутации вакуумными выключателями не удалось ни зарубежным, ни отечественным производителям коммутационных аппаратов [3].

Высокие кратности перенапряжений опасны в первую очередь для двигателей, уровень изоляции которых составляет порядка 2,8·Uном. Высокочастотные перенапряжения при коммутациях вакуумными выключателями представляют серьезную опасность для витковой изоляции высоковольтного оборудования (двигатель, трансформатор), кабельных муфт и кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.

 

     Синхронная коммутация как средство ограничения коммутационных перенапряжений

    Инновационным направлением, позволяющим использовать все вышеперечисленные преимущества вакуумных выключателей с одной стороны, а также минимизировать недостатки, связанные с возникновением перенапряжений при коммутациях такими выключателями, является применение синхронных (управляемых) вакуумных коммутационных аппаратов. Концепция синхронной коммутации представляет собой последовательную пофазную коммутацию по заданному алгоритму при переходе синусоиды тока (напряжения) через ноль. Особенности управляемой коммутации, алгоритмы коммутации и частные примеры применения представлены авторами в [5; 6].

 

Опыт применения синхронного вакуумного выключателя

На опытно-промышленную эксплуатацию в «Новосибирские городские электрические сети» филиала ОАО «Региональные электрические сети» поставлен синхронный вакуумный выключатель типа EX-BBC SMARTIC 6(10)-20/1000 У3. Основные характеристики выключателя представлены в табл. 3. Целью опытной эксплуатации является апробация алгоритмов синхронной коммутации и оценка их влияния на коммутационные перенапряжения.

Таблица 3

Характеристики EX-BBC SMARTIC 6(10)-20/1000 У3

Наименование параметра

 

Значение

Частота напряжения, Гц

50

Номинальное напряжение, кВ

10

Номинальный ток, А

1000

Номинальный ток отключения, кА

20

Наибольший пик тока включения, кА

52

Полное время отключения, с, не более

0,09

Собственное время отключения, с, не более

0,07

Собственное время включения, с, не более

0,1

 

Синхронный вакуумный выключатель установлен в ячейке 13 РП-3 (выполнен ретрофит камеры типа КСО-2). Место установки выключателя и защищаемая им электрическая сеть представлена на рис. 2.

Участок электрической сети, выбранный для защиты синхронным вакуумным выключателем, выполнен на напряжение 10 кВ с изолированным режимом работы нейтрали. Данный участок характеризуется большой протяженностью и разветвленностью. В составе защищаемого участка электрической сети находятся кабельные и воздушные линии различного сечения. По магистральной схеме получают питание трансформаторные подстанции 10/0,4 кВ преимущественно коммунально-бытового сектора. Место размещения выключателя является типовым для городских электрических сетей и характеризуется относительно низким уровнем перенапряжений вследствие характера коммутируемой нагрузки и значительной протяженности защищаемого присоединения. В данном случае отсутствуют условия для возникновения критических перенапряжений и бросков тока (двигательная нагрузка, ненагруженный трансформаторов, короткая кабель или др.), однако даже это позволяет выявить оптимальные алгоритмы синхронной коммутации, оценить надежность работы аппарата и его эффективность


Рис. 2. Схема электрической сети:

РП – распределительный пункт, ТП – трансформаторная подстанция, ВЛ – воздушная линия, КЛ – кабельная линия

 

    Результаты имитационного моделирования

   Для оценки уровня перенапряжений в электрической сети при традиционной и синхронной коммутации, а также для выбора оптимального алгоритма синхронной коммутации по минимальному уровню перенапряжений проведено предварительное имитационное моделирование участка электрической сети и коммутационного аппарата в системе MATLAB. Структура модели включает в себя следующие элементы:

•    источник питания – основная электрическая сеть до РП-3;

•    коммутационный аппарат – синхронный вакуумный выключатель;

•    электрическая сеть нагрузки, получающая питание от ячейки 13 РП-3 – кабельная линия электропередачи, воздушная линия электропередачи, совокупность трансформаторных подстанций потребителей.

    По результатам моделирования максимальный уровень перенапряжений при традиционном одновременном (несинхронном) отключении составляет 2,2·Uном. Данный уровень перенапряжений не оказывает опасного воздействия на изоляцию оборудования. При одновременном включении также не возникает значительных перенапряжений (1,9·Uном), однако бросок тока достигает 2,1·Iпуск, что негативно сказывается на коммутационном ресурсе выключателя.

   В качестве наилучшего синхронного алгоритма отключения выбран алгоритм А-5мс-ВС с синхронизацией по току. Результаты моделирования синхронного отключения показывают полное отсутствие перенапряжений.

  Для синхронного включения также выбран алгоритм А-5мс-ВС с синхронизацией по напряжению, по результатам моделирования которого удалось практически исключить бросок тока – 1,1·Iпуск.

 

   Результаты опытно-промышленной эксплуатации

   В процессе опытно-промышленной эксплуатации производились плановые и аварийные коммутации аппарата. Выключатель показал себя эффективным и надёжным аппаратом как с точки зрения отключения токов короткого замыкания, так и с точки зрения коммутаций при оперативных переключениях. При этом наблюдается полное отсутствие перенапряжений и бросков тока.



Рис. 3. Осциллограмма напряжений планового отключения

 

    На рис. 3 в качестве примера показана одна из осциллограмм напряжений при плановом отключении аппарата, полученная с встроенного регистратора выключателя. Как видно, предустановленный алгоритм синхронного отключения полностью отрабатывается: первой в момент времени 19 мс отключается фаза А, далее через 5 мс (в 24 мс) одновременно отключаются фазы B и C. В моменты коммутации не возникают скачки напряжений на фазах, а, следовательно, и перенапряжения.

 

   Заключение

 

 По результатам имитационного моделирования и опытно-промышленной эксплуатации выключателя в Новосибирских городских электрических сетях можно сделать следующие замечания и выводы.

 На уровень коммутационных перенапряжений существенное влияние оказывает протяженность защищаемого присоединения. Очевидно, что наибольший эффект от использования выключателя будет наблюдаться при синхронной коммутации линии электропередачи малой протяженности и, как следствие, большем снижении коммутационных перенапряжений.

  Для рассмотренного случая размещения выключателя при реализации алгоритма синхронной коммутации удалось полностью исключить перенапряжения. Броски тока при включении уменьшаются с 2,1·Iпуск до 1,1·Iпуск, что повышает коммутационный ресурс выключателя.

 Информация, полученная в ходе опытно-промышленной эксплуатации, подтверждает эффектность реализации синхронной (управляемой) коммутации и соответствует результатам имитационного моделирования.

Следует отметить, что при реализации алгоритмов синхронной коммутации необходимо стремиться к высокой точности синхронизации (максимум ±1 мс). Применяемый выключатель обеспечивает максимальную погрешность в ±0,3 мс, что в полной мере соответствует требованиям к таким аппаратам.

 

Библиографический список

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: 15.04.2014).

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

4.      Headley A. Meeting system requirements with modern switchgear // Proceedings IEEE Symposium on trends in modern switchgear design 3,3-150 kV. – Newcastle. – 1984. – Р. 9.1-9.5.

5.      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.

6.      Ачитаев А.А., Павлюченко Д.А., Прохоренко Е.В., Шевцов Д.Е. Применение синхронного вакуумного выключателя для коммутации группы двигателей // Главный энергетик. – 2014. – № 5. – С. 50-56.

 


Возврат к списку

Взаимовыгодное
сотрудничество

Команда профессионалов

Предлагаем расти и
развиваться вместе

Современные решения

Закрыть