Разработка имитационной модели синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ с учетом реальных характеристик аппарата
Разработка имитационной модели синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ с учетом реальных характеристик аппарата
Разработка имитационной модели синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ с учетом реальных характеристик аппарата
Development of the controlled vacuum 6 (10) kV circuit Breaker model with real parameters
Дмитрий Евгеньевич Шевцов,
старший преподаватель кафедры систем электроснабжения предприятий,
Новосибирский государственный технический университет,
630073, г. Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20,
e-mail: dmitriy_shevtsov@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
Лавринович Валерий Александрович,
доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетических систем,
Томский политехнический университет,
634050, г. Томск, пр-т Ленина, 30,
e-mail: lavrhome@mail.ru
Шальнев Виктор Георгиевич,
кандидат технических наук, доцент кафедры систем электроснабжения предприятий,
Новосибирский государственный технический университет,
630073, г. Новосибирск, пр-т К.Маркса, 20,
e-mail: shalnev_vg1@mail.ru
D. Shevtsov,
Senior Teacher of Power Supply Systems Department,
Novosibirsk State Technical University,
Russia, 630073, Novosibirsk, Prospekt K. Marksa, 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
V. Lavrinovich,
Dr., Professor,
Electric Power Systems Department,
Tomsk Polytechnic University,
Russia, 634050, Tomsk, Prospekt Lenina, 30,
e-mail: lavrhome@mail.ru
V. Shalnev
Ph.D., Associate Professor,
Head of Power Supply Systems Department,
Novosibirsk State Technical University,
Russia, 630073, Novosibirsk, Prospekt K. Marksa, 20,
e-mail: shalnev_vg1@mail.ru
Аннотация
В настоящее время уровень коммутационных перенапряжений может быть снижен без применения специальных ограничивающих устройств за счет внедрения принципов управляемой коммутации в выключатель. Для исследования переходных процессов, возникающих при коммутациях, разработана имитационная модель синхронного вакуумного выключателя. Модель учитывает особенности и характеристики вакуумных выключателей, результаты исследований которых также представлены в работе.
Ключевые слова: управляемая коммутация, модель синхронного выключателя, броски тока, перенапряжения, характеристики выключателя.
Abstract
At present, a level of switching overvoltages can be reduced without using special surge arrester by introducing the principles of controlled switching into circuit breaker. In order to study the switching transients the paper is presented the model of controlled (synchronous) vacuum circuit breaker. The model takes into account the features and parameters of vacuum circuit breakers that were also investigated in the paper.
Keywords: controlled switching, model of controlled circuit breaker, inrush currents, overvoltages, circuit breaker parameters.
Введение
Как известно, коммутации в электрических сетях вызывают переходной процесс, физический смысл которого заключается в перераспределении энергии между индуктивными и емкостными элементами сети. Такой обмен имеет место независимо от типа используемого выключателя и в этом случае кратность перенапряжений и амплитуда бросков тока определяются моментом времени переключения контактов аппарата.
В последние десятилетия при выборе защитно-коммутационного оборудования среднего напряжения предпочтение отдается вакуумным выключателям. Однако коммутации такими аппаратами могут сопровождаться значительными высокочастотными перенапряжениями, основной причиной которых является высокая дугогасительная способность вакуумных выключателей [1]. Наложение негативных особенностей выключателя на неблагоприятный момент времени коммутации приводит к еще большим кратностям перенапряжений, что отрицательно сказывается на изоляции электроустановок.
Актуальным направлением минимизации перенапряжений и бросков тока при коммутациях вакуумными выключателями является применение принципов управляемой коммутации, основная идея которых заключается во включении или отключении электрической сети в оптимальные моменты времени [2].
В работе предпринята попытка разработки имитационной модели выключателя, способной реализовать принципы управляемой коммутации и учитывающей основные характеристики реальных вакуумных выключателей.
1. Исследование характеристик синхронного вакуумного выключателя
Наиболее важными характеристиками вакуумных выключателей для адекватного моделирования переходных процессов при коммутациях электрических сетей являются величина тока среза до его естественного перехода через ноль, закон и скорость восстановления (снижения) электрической прочности межконтактного промежутка и максимальная скорость обрыва тока. Кроме того к устройствам управляемой коммутации предъявляются высокие требования по механическим характеристикам, а именно стабильности времени включения и отключения.
Найти эти характеристики для конкретного выключателя с целью оценки возникающих коммутационных перенапряжений и бросков тока бывает достаточно сложно. Это объясняется тем, что производители не определяют указанные выше характеристики или определяют их только для внутреннего использования. Поэтому выявление требуемых характеристик вакуумных выключателей в настоящее время возможно только при самостоятельном проведении натурных экспериментов или при анализе специальной литературы.
В данной работе представлены результаты исследований характеристик синхронного вакуумного выключателя типа EX-BBC SMARTIC 6(10)-20/1000 производителя ООО «КЭПС» [1]. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета.
1.1. Срез тока
Срез тока представляет собой резкое уменьшение тока при отключении от некоторого значения до нуля. Из-за малого времени протекания и высокой скорости снижения это может приводить к перенапряжениям. Срез тока характерен для выключателей любого применяющегося в настоящее время типа дугогашения (маломасляных, вакуумных, элегазовых и др.), и зависит от материала контактов. В вакуумных выключателях причиной среза тока является неустойчивость горения дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов [3].
На рис. 1 представлена структурная схема испытательной установки. В качестве источника выступает источник переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Нагрузка содержит активные сопротивления в виде резисторов. Коммутационный аппарат представляет собой исследуемый синхронный вакуумный выключатель.
Рис. 1. Структурная схема испытательной установки
При испытании синхронного вакуумного выключателя получены замеры среза тока во всех трех полюсах аппарата при отключении активного переменного тока 100 А частотой 50 Гц.
Обработка экспериментальных данных проводилась с учетом случайных погрешностей. Для проверки выборки на наличие аномальных выбросов использовался критерий Смирнова. При этом было принято допущение, что выборка распределена по нормальному закону. Проверка по критерию Смирнова позволила исключить аномальные значения токов среза.
Проверка гипотез о законах распределения осуществлялась по критерию Мизеса (nω2) и критерию Пирсона (χ2). Для проверки выдвигалась одна гипотеза: принадлежность значений среза тока выключателя нормальному закону распределения. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1 – Результаты расчета проверки экспериментальных токов среза на соответствие нормальному закону
|
|
Критерий Мизеса |
Критерий Пирсона |
||||
|
(Nω2)А |
(Nω2)В |
(Nω2)С |
(Χ2)А |
(Χ2)В |
(Χ2)С |
|
|
Значения критерия |
0,432 |
0,157 |
0,216 |
10,32 |
4,649 |
5,623 |
|
Критические значения критерия при уровне значимости q=0,05 |
0,465 |
0,465 |
0,465 |
11,07 |
11,07 |
5,991 |
Критические значения критерия Пирсона для фаз А, В определялись для 9 интервалов разбиения всего поля данных, а для фазы С – для 5 интервалов.
По обоим критериям расчетные значения не превышают критические, что свидетельствует о том, что выдвинутая гипотеза о соответствие нормальному закону распределения срезов тока может быть принята для всех фаз, т.е. для всех полюсов выключателя.
В результате проведенных исследований получены значения срезов тока, включая доверительные интервалы MIср и DIср, которые приведены в табл. 2.
Таблица 2 – Характеристики синхронного вакуумного выключателя
|
Параметр |
Фаза А |
Фаза В |
Фаза С |
|
Объем выборки |
96 |
100 |
100 |
|
IСРMin, А |
1 |
0,5 |
0,7 |
|
IСРсред, А |
1,93 |
2,62 |
2,14 |
|
IСРMax, А |
3,7 |
5 |
5,8 |
|
MIСр, А, при P=0,95 |
1,80<MIСр<2,06 |
2,45<MIСр<2,80 |
1,99<MIСр<2,29 |
|
D, А2 |
0,41 |
0,77 |
0,56 |
|
DIСр, А2, при P=0,95 |
0,32<DIСр<0,56 |
0,60<DIСр<1,04 |
0,43<DIСр<0,76 |
Разница между токами среза для трех полюсов выключателя может быть объяснена особенностями структуры контактного материала электродов, используемых в вакуумных камерах.
1.2. Электрическая прочность межконтактного промежутка
Повторные зажигания дуги в дугогасительной камере выключателя являются причиной опасных высокочастотных перенапряжений. Появление повторных зажиганий дуги связано с недостаточной электрической прочностью межконтактного промежутка [3]. Таким образом, важнейшими зависимостями, характеризующими уровень высокочастотных перенапряжений, являются закон и скорость изменения электрической прочности межконтактного промежутка выключателя.
Закон электрической прочности при отключении выключателя может быть описан линейной зависимостью:
(1)
где k – скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка, кВ/мс, t – текущий момент времени, мс.
Вид закона (1) определяется следующим физическим процессом: рост электрической прочности промежутка обусловлен увеличением расстояния между расходящимися контактами выключателя. Необходимо отметить, что до момента обрыва дуги тока контакты выключателя успевают разойтись на некоторое расстояние, обеспечивая тем самым определенную электрическую прочность после погасания дуги.
Анализ литературных данных свидетельствует о том, что скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка современных вакуумных выключателей составляет k = 20…80 кВ/мс [4,5].
Напряжение, прикладываемое к расходящимся контактам выключателя, может быть найдено как:
(2)
где uВ(t) – напряжение между контактами выключателя, uИ(t) – напряжение полюса выключателя со стороны источника, uН(t) – напряжение полюса выключателя со стороны нагрузки.
Первичное гашение дуги происходит в момент времени, когда мгновенное значение тока становится меньше величины тока среза iср. После прерывания тока происходит восстановление напряжения на контактах выключателя. Если восстанавливающееся напряжение между контактами (2) превышает электрическую прочность межконтактного промежутка (1), то возникает повторное зажигание дуги. Дальнейшее погасание электрической дуги возможно при переходе тока через ноль в случае, когда скорость высокочастотного тока не больше максимального значения di/dt. В опубликованных работах указывается максимальная скорость гасимого тока для вакуумных выключателей в пределах 50-160 А/мкс [4].
1.3. Механические характеристики
К устройствам управляемой коммутации предъявляются высокие требования по стабильности времени включения и времени отключения: не более ± 1-2 мс [6]. При этом требуется пополюсное управление выключателем.
Следует отметить, что разбросы времени включения и отключения не должны превышать допустимые значения при изменении температуры окружающей среды, при колебаниях напряжения питания, а также в результате износа и старения узлов выключателя.
В ходе выполнения работы были проведены исследования разбросов времени начала размыкания контактов и времени окончания замыкания контактов. Результаты измерений времени начала размыкания контактов представлены в табл. 3.
Таблица 3 – Времена начала размыкания контактов выключателя
|
№ |
T, мс |
||
|
А |
В |
С |
|
|
1 |
9,6 |
8,5 |
10,2 |
|
2 |
9,56 |
8,58 |
10,4 |
|
3 |
9,56 |
8,44 |
10,4 |
|
4 |
9,56 |
8,48 |
10,6 |
|
5 |
9,56 |
8,52 |
10,7 |
|
6 |
9,48 |
8,52 |
10,6 |
|
7 |
9,48 |
8,48 |
10,6 |
|
8 |
9,56 |
8,52 |
10,7 |
|
9 |
9,48 |
8,52 |
10,7 |
|
10 |
9,5 |
8,5 |
10,6 |
Из табл. 3 следует, что разброс времени начала размыкания контактов для отдельно взятого полюса составляет не более 0,5 мс. Неодновременность размыкания полюсов аппарата находится в диапазоне от 1,62 до 2,26 мс.
Результаты измерений времени окончания замыкания контактов представлены в табл. 4.
Таблица 4 – Времена окончания замыкания контактов выключателя
|
№ |
T, мс |
||
|
А |
В |
С |
|
|
1 |
27,0 |
26,2 |
25,2 |
|
2 |
27,2 |
26,7 |
25,5 |
|
3 |
27,1 |
26,4 |
25,2 |
|
4 |
27,0 |
26,4 |
25,2 |
|
5 |
27,0 |
26,3 |
25,3 |
|
6 |
27,0 |
26,4 |
25,3 |
|
7 |
27,0 |
26,4 |
25,3 |
|
8 |
27,0 |
26,4 |
25,2 |
Из табл. 4 видно, что разброс времени окончания замыкания контактов для одного полюса составляет не более 0,5 мс. Неодновременность замыкания полюсов аппарата изменяется от 1,5 до 2 мс.
Разбросы времени включения и времени отключения удовлетворяют требованиям, предъявляемым к устройствам управляемой коммутации, изложенным в [6]. Неодновременности замыкания и размыкания полюсов выключателя могут быть снижены путем их учета в алгоритме коммутации.
Также проводились исследования времен размыкания и замыкания после выработки коммутационного ресурса выключателя. Стабильность времен срабатывания выключателя не изменилась.
2. Разработка имитационной модели синхронного вакуумного выключателя
Модель синхронного вакуумного выключателя разработана в программном комплексе MatLab/Simulink, который позволяет моделировать сложные электроэнергетические системы, сочетая методы имитационного и структурного моделирования [7].
В реальных условиях работа выключателя существенно отличается от идеальных, когда замыкание контактов происходит мгновенно, а размыкание – в нуле тока промышленной частоты. В современных выключателях могут возникать следующие явления:
– срез тока при отключении до его нулевого значения;
– повторные зажигания дуги вследствие недостаточной электрической прочности межконтактного промежутка в начальный промежуток времени после прерывания тока дуги;
– виртуальные срезы тока в соседних фазах, вызванные повторными зажиганиями дуги в первой отключаемой фазе;
– предпробои при уменьшении межконтактного промежутка в процессе включения выключателя.
Выключатели, способные реализовать принципы управляемой коммутации, должны обладать возможностью раздельной коммутации полюсов аппарата.
На основании вышеизложенного материала разработана модель синхронного вакуумного выключателя (рис. 2), которая учитывает следующие основные положения:
– срез тока выключателя 3-5 А;
– электрическую прочность межконтактного промежутка, которая описывается линейной зависимостью и составляет 50 кВ/мс;
– максимальную скорость изменения гасимого тока 50 А/мкс;
– пофазную коммутация полюсов выключателя.
Рис. 2. Модель синхронного вакуумного выключателя в трехфазном исполнении:
1 – силовые контакты выключателя; 2 – электрическая дуга между контактами; 3 – блок задания момента времени коммутации; 4 – блок формирования команды на повторные зажигания и погасания дуги; 5 – блок формирования команды на погасание дуги при срезе тока
Модель синхронного вакуумного выключателя (рис. 2) реализована для трех полюсов аппарата с использованием стандартных блоков имитационного моделирования. Разновременная коммутация фаз выключателя осуществлена с помощью блоков Step1 – Step3, в которых задается момент времени коммутации каждого полюса аппарата. После подачи управляющего сигнала на отключение размыкаются контакты выключателя, каждый полюс которого моделируется блоками IdealSwitch1 – IdealSwitch3. Процесс зажигания и погасания электрической дуги моделируется блоками IdealSwitch4 – IdealSwitch6.
Срез тока возникает во всех отключаемых фазах при первом погасании электрической дуги. Ток в фазах измеряется при помощи блоков Current1 – Current3 и далее сравнивается с заданным значением тока. В случае выполнения неравенства блоками EnabledSubsystem7 – EnabledSubsystem9 подается сигнал на гашение дуги между контактами. В дальнейшем возможны только виртуальные срезы тока.
Повторные зажигания дуги могут возникать во всех трех фазах выключателя при недостаточной электрической прочности межконтактного промежутка. Электрическая прочность начинает возрастать с момента начала расхождения контактов для каждого полюса и моделируется блоками Integrator4 – Integrator6. Востанавливающееся напряжение между контактами выключателя измеряется блоками Voltage1 – Voltage3. При выполнении условия неравенства формируется управляющий сигнал блоками EnabledSubsystem10 – EnabledSubsystem12 на повторное зажигание дуги.
Электрическая дуга гаснет при прохождении кривой тока через ноль в случае не превышения заданной скорости тока, при которой возможно гашения дуги. Блоки EnabledSubsystem13 – EnabledSubsystem15 формируют сигнал на гашение повторных зажиганий дуги. Процесс зажигания и погасания дуги может повторяться несколько раз в зависимости от характеристик отключаемой сети.
Разработанная имитационная модель может служить основой для создания моделей синхронных коммутационных аппаратов на другие классы напряжения.
3. Проверка адекватности и работоспособности модели синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ
Для проведения имитационного моделирования выбрана электрическая сеть 6 кВ, содержащая ненагруженный трансформатор 630 кВА (рис. 3). Коммутации ненагруженных трансформаторов могут сопровождаться повторными зажиганиями дуги и высокочастотными перенапряжениями, что приводит к деградации изоляции трансформатора. При включении могут возникать броски тока намагничивания, которые вынуждают осуществлять отстройку и загрубление уставок релейной защиты, а также приводят к повышенным электродинамическим воздействиям на обмотки трансформаторов.
Рис. 3. Модель электрической сети 6 кВ:
Cф, Cфт, Cфф, Cффт – фазные и межфазные емкости источника и трансформатора
Моделирование трансформатора выполнено при помощи блока Three-Phase Transformer (Two Windings). В модели учитывается нелинейность характеристики намагничивания материала сердечника.
3.1. Неуправляемая коммутация полюсов выключателя
На рис. 4 показана осциллограмма напряжений при отключении ненагруженного трансформатора, полученная по результатам моделирования. В этом случае между контактами выключателя возникают повторные зажигания дуги и крутые фронты напряжения, опасные для продольной изоляции трансформатора. После каждого повторного зажигания напряжение восстанавливается с меньшей скоростью.
Рис. 4. Осциллограмма напряжений при отключении ненагруженного трансформатора, полученная по модели
По результатам моделирования включение ненагруженного трансформатора сопровождается значительными бросками тока, которые достигают 8·Iном (рис. 5). Кроме значительной амплитуды, еще одним негативным качеством тока намагничивания является его достаточно длительное протекание. Затухание броска тока намагничивания может проходить в течение нескольких секунд.
Рис. 5. Осциллограмма токов при включении ненагруженного трансформатора, полученная по модели
Результаты, полученные по предложенной модели вакуумного выключателя 6 (10) кВ, имеют хорошее соответствие с экспериментальными данными, приведенными в литературных источниках [5, 8].
3.2. Управляемая коммутация полюсов выключателя
В трехфазной электрической сети напряжение каждой фазы пересекает ноль в разные моменты времени, поэтому для осуществления переключения сети с минимальными переходными процессами необходимо коммутировать полюса выключателя раздельно.
В случае системы с изолированной нейтралью при управляемом отключении ненагруженного трансформатора необходимо произвести коммутацию первой фазы при прохождении тока через ноль. Токи в оставшихся включенных фазах становятся равными друг другу и направленными противоположно. Далее при прохождении тока через ноль производится отключение остальных полюсов выключателя [2].
Осциллограмма напряжений при управляемом отключении трансформатора представлена на рис. 6. В этом случае повторные зажигания дуги и перенапряжения не возникают.
Рис. 6. Осциллограмма напряжений при управляемом отключении ненагруженного трансформатора, полученная по модели
Из рис. 6 следует, что отключение фазы А происходит в момент времени 23 мс при прохождении тока в этой фазе через ноль. Далее в момент времени 27 мс одновременно отключаются фазы В и С, что соответствует моменту прохождения тока в этих фазах через ноль.
Для ограничения бросков тока намагничивания трансформатора при включении необходимо произвести коммутацию двух фаз в момент времени, когда линейное напряжение между этими фазами равно максимальному значению. Далее подключить третью фазу в момент времени, когда фазное напряжение будет максимальным [2]. При таком алгоритме включения удается избежать бросков тока намагничивания, что видно из рис. 7.
Рис. 7. Осциллограмма токов при управляемом включении ненагруженного трансформатора, полученная по модели
В соответствии с рис. 7 включение фаз А и В происходит в момент времени 13 мс, что соответствует максимальному линейному напряжению, далее через 5 мс включается фаза С в момент максимального фазного напряжения.
Заключение
1. Экспериментально исследованы характеристики синхронного вакуумного выключателя типа EX-BBC SMARTIC 6(10)-20/1000. Полученные значения среза тока не превышают 3 А.
2. Экспериментально исследованы механические характеристики выключателя. Показано, что время включения выключателя составляет не более 27,2 мс с разбросом не более 0,5 мс. Собственное время отключения выключателя составляет не более 10,7 мс с разбросом не более 0,5 мс. Это позволяет утверждать, что данный выключатель может использоваться в качестве синхронного аппарата.
3. Разработана имитационная модель синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ, учитывающая особенности управляемой коммутации и характеристики реальных вакуумных выключателей. Предложенная модель может быть использована для исследования переходных процессов при коммутации электрической сети 6 (10) кВ.
4. Проведена проверка адекватности и работоспособности модели синхронного вакуумного выключателя 6 (10) кВ на примере коммутации ненагруженного трансформатора. Результаты, полученные по предложенной модели, имеют хорошее соответствие с экспериментальными данными. Показано, что разработанная модель реализует управляемую коммутацию полюсов аппарата с минимальными перенапряжениями и бросками тока.
Список литературы
1. Ачитаев, А. А. Применение синхронного вакуумного выключателя в городских электрических сетях / А. А. Ачитаев, Д. А. Павлюченко, Е. В. Прохоренко, Д. Е. Шевцов // Главный энергетик. – 2014. – № 7. – С. 46-52.
2. Павлюченко, Д. А. Особенности управляемой коммутации при нормальных и аварийных режимах в электрических сетях среднего напряжения / Д. А. Павлюченко, Д. Е. Шевцов // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2015. – № 5. – С. 41-44.
3. Евдокунин, Г.А. Перенапряжения в сетях 6 (10) кВ создаются при коммутациях как вакуумными, так и элегазовыми выключателями / Г. А. Евдокунин, С. Титенков // Новости электротехники. – 2002. – №5. – С. 27-29.
4. Евдокунин, Г. А. Перенапряжения при коммутации цепей вакуумными выключателями и их ограничение / Г. А. Евдокунин, А. А. Корепанов // Электричество. – 1998. – № 4. – С. 2-14.
5. Иванов, А.В. Теоретическое и экспериментальное исследование электрофизических процессов и характеристик вакуумной дугогасительной камеры при коммутации электродвигателей / А.В. Иванов, И.Л. Дегтярев // Нефтегазовое дело. – 2007. – № 1 – С. 1-10.
6. Белкин, Г.С. Применение самоуправляемых аппаратов (аппаратов, обладающих «интеллектом») для коммутации цепей высокого напряжения. // Электротехника. – 2005. – №12. – С. 3-9.
7. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 288 с., ил.
8. Силовые трансформаторы. Справочная книга / под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. – М.: Энергоиздат, 2004. – 616 с.