автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Исследование процессов коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки и разработка технических требований к синхронным вакуумным выключателям

На правах рукописи

005017931

ЛЕБЕДЕВ Иван Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОММУТАЦИИ ВАКУУМНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К СИНХРОННЫМ ВАКУУМНЫМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМ

Специальность: 05.14.12 - Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

? 5 ДПР 2012

Новосибирск - 2012

005017931

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: д.т.н., профессор,

Кадомская Кира Пантелеймоновна

Официальные оппоненты: Лавринович Валерий Александрович,

д.т.н., профессор, Томский политехнический университет, профессор кафедры ЭЭС

Защита диссертации состоится 17 мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.01 при ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» (630092, Новосибирск, пр-т К. Маркса 20, НГТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет».

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Наумкин Иван Егорович, к.т.н., с.н.с., ООО «БОЛИД», г. Новосибирск, заместитель генерального директора по науке

Ведущая организация: Филиал ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС»

Новосибирская СПБ, г. Новосибирск

Ученый секретарь диссертационного совета

Тимофеев И. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы при производстве электроэнергетического оборудования появилась возможность использования новейших видов электроизоляционных материалов, применение которых ранее было ограничено или недоступно. Предпочтение отдается твердым видам изоляции и монолитным конструкциям вследствие технологичности изготовления изделий, компактных размеров, удобства эксплуатации и отсутствия необходимости в периодическом ремонте. Примерами электрооборудования, выполненного по таким технологиям, могут служить литые силовые и измерительные трансформаторы, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), кабельные муфты. Необходимость в использовании энергетического оборудования монолитных конструкций имеется в отраслях с высокими требованиями к пожаро- и взрывобезопасности, габаритным размерам, надежности, безремонтному сроку службы устройств - например, в горно-шахтной отрасли. Именно эти требования предопределяют и выбор типа используемых коммутационных аппаратов -в шахтных электросетях используются вакуумные выключатели (ВВ) и контакторы.

В связи с особенностями построения схем электропитания в горношахтной отрасли вакуумные выключатели и силовые трансформаторы эксплуатируются совместно - в составе комплектных трансформаторных силовых взрывозащищенных подстанций (КТСВП), в которых коммутационный аппарат, входящий в распределительное устройство высшего напряжения (РУ ВН), подключается непосредственно к силовому трансформатору с помощью коротких соединительных проводов и проходных изоляторов через стальную перегородку, разделяющую отсек РУ ВН и трансформаторный отсек. Ряд отличий таких сетей - близкое расположение коммутационного аппарата к трансформатору, способность вакуумного выключателя обрывать высокочастотный ток и инициировать повторные зажигания (ПЗ), являющиеся причиной возникновения градиентных перенапряжений, воздействующих на межвитковую изоляцию трансформаторов, способность трансформаторов с литой изоляцией аккумулировать возникшие дефекты или восприимчивость к таким воздействиям трансформаторов с воздушной изоляцией ведет к высокой вероятности выхода устройств со временем из строя из-за повреждения межвитковой изоляции. Учет этих особенностей эксплуатации вынуждает к принятию ряда мер по снижению и предотвращению перенапряжений, воздействующих на продольную изоляцию трансформатора.

Еще одним фактором, который необходимо учитывать при эксплуатации трансформаторов является то, что при их включениях любыми типами выключателей могут возникать броски токов намагничивания (БТН), которые приводят к зачастую опасным электродинамическим воздействиям на обмотки трансформаторов. Включение трансформаторов ВВ сопровождается возникновением предпробоев (ПП), также негативно воздействующих на их продольную изоляцию.

Многие исследователи посвятили свои работы изучению механизмов протекания процессов в вакуумных дугогасящих камерах и в сети в целом при коммутациях вакуумными выключателями индуктивной нагрузки (J.M.Lafferty, E.Shade, S.Yanabu, A.T.Roguski, R.P.P.Smeets, Y.Matsui, В.А.Лавринович, Г.А.Евдокунин, А.К.Лоханин, Ф.Х.Халилов, В.В. Базуткин, В.Е.Качесов, M.Popov, К.П.Кадомская и др).

В настоящее время используются следующие меры и способы по снижению и предотвращению перенапряжений, а также уменьшению бросков тока намагничивания при коммутациях индуктивной нагрузки:

- установка нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) параллельно нагрузке или между контактами вакуумных дугогасящих камер (ВДК);

- подключение демпфирующих ЯС-цепей параллельно нагрузке;

- использование постоянно включённых резисторов и реакторов;

- использование предвключаемых резисторов и реакторов;

- уменьшение величины рабочей индукции в трансформаторах;

- управление коммутациями.

Применяемые защитные устройства - ОПН и демпфирующие RC-цепи -не могут повсеместно использоваться в силу своих особенностей. Применение ОПН ограничено их недостаточной эффективностью при высокочастотных коммутационных перенапряжениях, заключающейся в отсутствии их влияния на крутизну воздействующих импульсов и ограничении только амплитуды. Использование демпфирующих ЛС-цепей ограничено допустимыми величинами токов однофазного замыкания на землю (033) в сети, к увеличению которых приводит установка ЛС-цепей по стандартной схеме «фаза-земля».

Использование резисторов и реакторов, включенных постоянно, приводит к потерям электроэнергии. Использование этих устройств только на время пуска трансформатора вынуждает использовать еще одно коммутационное устройство, что уменьшает надежность схемы электропитания в целом. Заметное влияние на бросок тока намагничивания при снижении величины магнитной индукции сказывается только при ее уменьшении в 1,5-2 раза, что, как правило, экономически нецелесообразно.

В настоящее время ряд работ, посвященных управляемой коммутации (Л.Г.Клепарская, Г.В.Буткевич, WG 13.07 (А3.07) CIGRE, КЛ.Кадомская, компания ABB и др.), выполнен для высоковольтных выключателей, и не может применяться для сетей с изолированной нейтралью и коммутаций вакуумными выключателями. Некоторые разработки по управдяемому включению без бросков тока намагничивания могут использоваться для сетей 6 кВ (А.В. Осипов, компания Joslin Hi-Voltage и др.), однако, в них не учитывается возможность возникновения предпробоев при включении вакуумными выключателями и поэтому нельзя признать предлагаемые методы оптимальными. Некоторые предложенные устройства обладают достаточно высокой точностью (работы Д.Ф.Алферова, Г.С.Белкина и др.), но имеют значительные габаритные размеры и массу, а алгоритмы их применения для коммутации индуктивной нагрузки до конца не проработаны. Другие исследования в основном посвящены управляе-

мой коммутации вакуумных выключателей при отключении токов короткого замыкания (М.В.Чалый, О.И.Червинский, В.И.Раховский, и др.).

Таким образом, в настоящее время не существует полноценных исследований, посвященных управляемой коммутации ненагруженных трансформаторов вакуумными выключателями. В то же время последние годы в распоряжении производителей вакуумных выключателей появились новые инструменты в виде современной элементной базы, позволяющие на основе промышленных микроконтроллеров осуществить реализацию управляемой коммутации трансформаторов с целью снижения возникающих перенапряжений, числа повторных зажиганий и предпробоев, а также уменьшения броска тока намагничивания. Исследования, направленные на анализ переходных процессов при коммутациях трансформаторов, разработку алгоритмов коммутаций и требований к работе синхронного вакуумного выключателя (СВВ) и определяют актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы является повышение надежности эксплуатации трансформаторных подстанций с литой и воздушной видами изоляции за счет снижения градиентных перенапряжений и электродинамических усилий на обмотки трансформаторов при коммутациях вакуумными выключателями.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

- разработать экспериментальную установку, позволяющую определять закон и скорости восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка в вакуумных выключателях, величину тока среза в используемых вакуумных дугогасящих камерах, а также максимальную скорость отключаемого высокочастотного тока в разрабатываемых вакуумных выключателях и существующих моделях;

- разработать математические модели для исследования коммутационных перенапряжений, возникающих в шахтных сетях 6 кВ, оснащенных вакуумными выключателями; провести натурные эксперименты с целью внесения необходимых дополнений в разработанные математические модели и проверки их адекватности;

- исследовать влияние параметров сети на характер переходных процессов, сопровождающих коммутацию ненагруженные трансформаторных подстанций; разработать альтернативные способы защиты трансформаторных подстанций, не связанные с управляемой коммутацией ВВ;

- разработать алгоритмы коммутации синхронных вакуумных выключателей и выдвинуть требования к их работе при включениях и отключениях ненагруженных трансформаторных подстанций.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы следующие методы: математическое (компьютерное) моделирование исследуемых процессов с использованием теории электрических цепей, методы активного, целенаправленного эксперимента, поставленного как в производственных условиях, так и на специально разработанной испытательной установке. При

обработке результатов экспериментов использованы методы математической статистики.

Научная новизна основных положений и результатов работы:

- показано, что количество повторных зажиганий и сопровождающие их перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов существенно зависят от скорости восстановления электрической прочности (к) межконтактных промежутков выключателя и мгновенного значения протекающих токов в момент размыкания контактов. Выяснено, что при управляемом включении ВВ происходит соревнование между количеством предпробоев и величиной броска тока намагничивания;

- показано, что оптимальным алгоритмом отключения ненагруженного трансформатора является алгоритм A-t3i-B-t,2-C, при этом отключение фаз А и В осуществляется при переходе токов в соответствующих фазах через ноль (i3l = 3,7 мс), а отключение фазы С должно происходить после окончания переходных процессов, сопровождающих отключение фазы В (?з2=1...2 мс);

- выдвинуты технические требования к работе СВВ при отключении ненагруженных трансформаторов рассматриваемых мощностей: временной разброс отключения тока вблизи нуля при отключении фаз А и В не должен превышать 0,2 мс при к-20 кВ/мс. При увеличении А: до 100 кВ/мс требования к точности снижаются: для фазы А - до 1,6 мс, для фазы В - до 7,3 мс, допустимый временной разброс отключения фазы С (при tl2 = 1...2 мс) должен составлять 0,5... 1 мс, соответственно;

- показано, что оптимальным алгоритмом включения ненагруженных трансформаторов является алгоритм включения трансформатора в три этапа: включение первой фазы должно осуществляться при переходе фазного напряжения через ноль, второй фазы - при максимальном значении линейного напряжения первых двух включаемых фаз, включение третьей фазы - при максимальном фазном напряжении последней включаемой фазы. Обязательным условием для включения трансформаторов рассматриваемых мощностей без предпробоев при скоростях снижения электрической прочности (кси), не превышающих 100 кВ/мс, является использование дополнительных конденсаторов относительно небольшой емкости;

- разработанная синтетическая схема для определения требуемых характеристик вакуумных выключателей является двухчастотной и позволяет при высокой вероятности возникновения повторных зажиганий определять скорость восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка, значение тока среза и максимальную скорость изменения тока при его гашении.

Личный вклад соискателя состоит в:

• участии при постановке целей и задач в диссертации;

• разработке математических моделей переходных процессов, сопровождающих коммутации ненагруженных трансформаторов;

• постановке и проведении экспериментальных исследований вакуумных выключателей на разработанной в процессе выполнения диссертации установке в лаборатории каф.ТЭВН НГТУ;

• обработке результатов натурных и компьютерных экспериментов и выдвижении требований к системе управления вакуумными выключателями при их коммутациях;

• участии в разработке оригинальной конструкции малоиндуктивных демпфирующих /?С-цепей;

• участии в разработке синхронного вакуумного выключателя, датчиков напряжения и тока для СВВ, внедрения СВВ.

Практическая значимость результатов работы:

- разработаны математические модели, описывающие переходные процессы при отключении и при включении ненагруженных трансформаторов вакуумными выключателями с учетом возникающих повторных зажиганий и пред-пробоев;

- получены зависимости между допустимым временным разбросом вблизи перехода тока через ноль при управляемых отключении и включении ненагру-женного трансформатора и скоростями восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка при коммутациях СВВ;

- экспериментально определены характеристики некоторых типов вакуумных выключателей, которые могут быть использованы при моделировании процессов, связанных с их коммутациями;

- рассчитаны значения емкостей ЛС-цепей, необходимых для защиты трансформаторов от повторных зажиганий, разработана оригинальная конструкция малоиндуктивных демпфирующих ЛС-цепей и сформулированы рекомендации по их применению, направленные на повышение надежности эксплуатации трансформаторных подстанций.

Достоверность результатов работы основывается на использовании результатов проведенных натурных экспериментов и хорошем согласии результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными.

Апробация работы и публикации. Результаты работы обсуждались на семинарах кафедры ТЭВН и Факультета энергетики НГТУ (2007-2011 гг.), на Всероссийских и Международных конференциях в Новосибирске и Томске (2007-2010 гг.), на Международных научно-практических конференциях: «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» в рамках международных выставок-ярмарок «Уголь России и Майнинг» (г.Новокузнецк, 2007, 2009 гг.,), на III Конференции «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники в условиях роста инвестиций. Перспективные технологии и электрооборудование» (санаторий РОП РФ «Истра», Моск. обл., 2008г.), на V Международной научно-технической конференции «Высоковольтное коммутационное оборудование» (г.Москва, 2010г.).

Результаты работы использованы при выполнении НИР каф. ТЭВН НГТУ по договору с ООО «АРЕВА ТиД - РУСАЛ Электроинжиниринг», «Анализ

коммутационной способности выключателя АЯЕУА УАН12/-63-80-27, установленного на кремниевом выпрямительном агрегате КВА238, и выключателей на вводе сети 10 кВ Красноярского алюминиевого завода и разработка мероприятий по обеспечению безаварийной работы выключателей и электрооборудования», при выполнении НИР ОАО «Энергия Холдинг» по договору с АК «АЛРОСА» «Инженерно-технические услуги по разработке рекомендаций по защите от грозовых, коммутационных перенапряжений и по защите от импульсных помех в сетях электроснабжения: шахтных подъемных машин БККС; вентилятора главного проветривания (ВОД 50) п.р. «Интернациональный» Мирнинского ГОКа». Разработанные устройства защиты (демпфирующие /?С-цепи) устанавливаются серийно ООО «ЕХС» на взрывозащищенных трансформаторных подстанциях. Акты внедрения результатов диссертационной работы включены в её текст в виде соответствующих приложений.

По теме диссертации в научно-технической литературе опубликованы 11 работ, из них: 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, из которых 2 - патенты на изобретения РФ. Подана одна заявка на патент на изобретение РФ.

Положения, выносимые на защиту:

- наиболее опасные для продольной изоляции трансформаторов перенапряжения возникают при отключении их тока холостого хода, поскольку практически каждая такая коммутация сопровождается повторными зажиганиями дуги в ВДК с опасными перепадами напряжения на обмотке трансформатора;

- надежную эксплуатацию как главной, так и витковой изоляции трансформатора может обеспечить применение демпфирующих /?С-цепсй. Значение емкости демпфирующей ЙС-цепи для эксплуатации в КТСВП, рекомендуемое циркуляром Департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России» Ц-5-98(э), недостаточно для надежной защиты при низких скоростях восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в ВДК;

- применение синхронного включения ненагруженных ВТП позволяет существенно уменьшить электродинамические нагрузки на обмотки трансформаторов и токопроводы за счет уменьшения броска тока намагничивания, а также уменьшить перенапряжения, возникающие из-за предпробоев. Для исключения предпробоев. при управляемом включении ненагруженных трансформаторов необходимо использование дополнительных емкостей относительно небольшой величины;

- синхронное отключение ненагруженного трансформатора позволяет существенно снизить уровень перенапряжений и число повторных зажиганий, инициируемых вакуумными выключателями.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения, приложений и списка использованных источников, содержащего 63 наименования. Объем работы составляет 142 страницы, включая 52 рисунка и 13 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Кг ¿г исв

-фсгг^ч-

А77

Во введении проведен анализ уровня текущего состояния работ, связанных с исследованиями перенапряжений, возникающими при коммутациях вакуумными выключателями, и предложенными методами снижения этих перенапряжений. Приведено обоснование темы диссертационной работы, сформулированы её цель, основные задачи, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен описанию характеристик сети и коммутируемого оборудования. Выполнен обзор существующих схем электропитания горнорудных предприятий на примере угледобывающей шахты. Описаны причины возникновения градиентных перенапряжений в обмотках трансформаторов при их коммутациях ВВ в этих сетях и проанализированы существующие меры и мероприятия,

применяющиеся в настоящее время для снижения этих перенапряжений.. Приведены расчетные схемы (рис.1) и соответствующие математические модели при моделировании переходных процессов в этих схемах. Показана адекватность разработанной математической модели отключения ненагруженного трансформатора вакуумным выключателем путем сравнения результатов моделирования с осциллограммой, полученной в ходе проведения натурного эксперимента (рис.2).

Второй раздел посвящен разработке синтетической схемы, позволяющей экспериментальным путем определять такие характеристики вакуумных выключателей, как: величина тока среза г'ср, максимальная скорость перехода гасимого тока через ноль (сИ/Ж)т<и, закон и скорость восстановления к и снижения ксп электрической прочности межконтактного промежутка. Принципиальная схема испытательной установки приведена на рис.3.

Лсг г-Г" 1-,

"тл ¿г ^

ГС ФФ7 1с ^ФФТ 1 Сфг = т Всг г1 Ь Ч

1тв Г = ФФТ Кст г! Н

•гс'- ~с

б)

Рис.1. Расчетные схемы: а - общая, б - ненагруженного трансформатора

0.2 0.3 Время, мс

а)

Кроме разработанной синтетической установки в экспериментах использовался стенд, представляющий из себя один полюс вакуумного выключателя, который может быть использован в синхронном вакуумном выключателе, с установленными на нем резистивными датчиками перемещения.

Разработанные для определения характеристик ВВ испытательная установка и стенд позволили решить следующие поставленные задачи:

- доказана линейная связь между скоростью восстановления электрической прочности межконтактного промежутка и скоростью перемещения подвижного контакта. На основе этого доказательства могут быть построены выключатели с произвольными законами восстановления электрической прочности при условии формирования произвольного закона перемещения подвижного контакта;

- осуществлено уточнение математической модели вакуумного выключателя, заключающееся во введении параметра ?0=1...Ю мкс в модель вакуумного выключателя при отключении ненагруженного трансформатора (электрическая прочность (ЭП) межконтактного промежутка при линейном законе восстановления ЭП описывается выражением иэп=£-(ш0), где Г0 - время между началом размыкания контактов и обрывом тока. При отключении ненагруженного трансформатора этот параметр следует принимать равным нулю. Наличие скачкообразного увеличения электрической прочности межконтактного промежутка на несколько сотен вольт (Ы0) в первый момент времени может быть объяснено наличием ударного воздействия якоря привода на подвижный кон-

9.3 9.4 9.5 9.6 Время, мс б)

Рис.2. Осциллограммы напряжения на вводах ненагруженного трансформатора при его отключении: а -экспериментальная, б - компьютерная

такт через шток (это обстоятельство удалось определить при анализе перемещений якоря и штока во время коммутаций);

- получены фактические значения скорости восстановления электрической прочности межконтактного промежутка полюса, установленного на стенде, что позволяет использовать эти данные для выдвижения требований к приводу на основе компьютерного исследования переходных процессов. Зафиксирован линейный закон восстановления электрической прочности межконтактного промежутка;

- получены значения скоростей восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка выключателей ВВТ-Э (f/H0M. = ЮкВ, /„о«. = 630 А, /„„моткл. = 20кА) и 3AII5 (t/H0M. = 12,5кВ, /ном. = 800 А, /ном.откл. = 20кА), позволяющие оценить уровень развития современной коммутационной техники и косвенно определить аппаратную степень готовности современных устройств к переходу на управляемую коммутацию. Для выключателя ВВТ-Э (1994 г.в.) средние величины этих скоростей лежат в диапазоне (для разных фаз): к = 34...45,1 кВ/мс; кс„ - 30...61,9 кВ/мс; для выключателя ЗАН5 (2001 г.в.) в диапазоне к = 25...29,6 кВ/мс; кси = 51,3...60,3 кВ/мс.

Третий раздел посвящен исследованию процессов, сопровождающих отключение ненагруженных трансформаторов. Выполнена экспериментальная оценка эффективности применения стандартных средств снижения перенапряжений при коммутациях трансформаторов:

- защиты с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН);

- защиты с помощью демпфирующих ЛС-цепей.

Натурные эксперименты показали неэффективность применения ОПН для снижения уровня градиентных коммутационных перенапряжений. Анализ процессов при установке демпфирующей RC-цепп показал высокую эффективность ее применения в связи с отсутствием при коммутации повторных зажиганий дуги в ВДК.

Проведенные компьютерные расчеты переходных процессов позволили определить величину емкости конденсатора в ДС-цепи, необходимую для

Рис.3. Принципиальная схема испытательной установки: 1 - зарядное устройство, 2 - разрядный контур, 3 - батарея конденсаторов, 4 - испытуемый вакуумный выключатель, 5 -вспомогательный вакуумный выключатель, 6 - устройство управления вспомогательным выключателем, 7 - устройство управления испытуемым выключателем, 8 - емкостный делитель напряжения, 9 - измерительный резистивный шунт

Коммутация вида A-Í3-C

Коммутация фаз АС

Коммутация фазы А

■-v

Коммутация фаз ABC

Коммутация вида A-Í3-B

100 90

PÍ 70

С

о

ю 60 8

¥ 50 á 40 30 20

500 1000 1500 2000 2500 3000 Мощность трансформатора, кВА

а)

Коммутация фазы А Коммутация фаз АВ Коммутация фаз АС Коммутация фаз ABC

Коммутация вида A-t3-B • Коммутация вида A-t3-C 4 Коммутация вида A-Í3-BC

500 10ОО 1500 2000 2500 3000 Мощность трансформатора, кВА

б)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Мощность трансформатора, кВА

в)

Рис.4. Результаты анализа различных алгоритмов коммутации при варьировании мощности коммутируемого трансформатора (к=20 кВ/мс): а - максимальный уровень перенапряжений, б - количество повторных зажиганий, в - максимальные перепады напряжения

отсутствия повторных зажиганий дуги в ВДК (при к= 20 кВ/мс) при отключении трансформатора мощностью 3000 кВА. Полученные значения емкости в 3...5 раз больше величин, рекомендованных Циркуляром Департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России» Ц-5-98(э), что говорит о необходимости выполнения моделирования процессов отключения ненагру-женных трансформаторов в каждой конкретной схеме, чтобы избежать перенапряжений при коммутациях. В рамках поиска средств защиты была разработана оригинальная конструкция ЯС-цепи, элементы которой являются малоиндуктивными, что положительно сказывается на ее эффективности, а массогабаритные показатели значительно меньше по сравнению с ближайшими аналогами.

Более эффективным способом снижения перенапряжений, позволяющим решать и другие задачи, связанные с обеспечением надежной эксплуатации коммутируемого оборудования, является применение управляемой коммутации. Показано, что управляемая коммутация при отключении ненагруженных трансформаторов позволяет эффективно избежать опасных уровней перенапряжений, а

при работе по предложенным алгоритмам и выполнении всех выдвинутых требований позволяет их избежать за счет отключения полюсов ВВ при переходах тока через нулевые значения.

Для четкого понимания, каким именно образом протекают и могут протекать переходные процессы при управляемой коммутации, были смоделированы возможные комбинации размыкания фаз, что позволило на основе анализа возникающих перенапряжений найти оптимальный алгоритм коммутации синхронного вакуумного выключателя. Кроме того, проведенные расчеты позволили оценить максимальный уровень перенапряжений при коммутациях вакуумными выключателями, что позволяет понять, как протекают процессы при отключении неуправляемыми выключателями, и что происходит при неправильной работе синхронного вакуумного выключателя (рис.4).

Выявлено, что наибольшее количество повторных зажиганий возникает при отключении одной фазы и первых двух фаз одновременно. В этих случаях наблюдались и наибольшие перепады напряжений, что объясняется «смещением» нейтрали трансформатора.

При рассмотрении всех возможных комбинаций отключения фаз выяснено, что для синхронной коммутации можно использовать три алгоритма: А-^-ВС, А-^-В-С и Л-Гз1-С- ?з2-В, в остальных случаях полностью избавиться от повторных зажиганий дуги во всех трех фазах при £<100 кВ/мс невозможно. Пред-

20 25 Время, МС а)

<с(0 >в«> Момент откл.ф.С

-у, "/ _ ^ Момент откп.ф.В

Момент откл.ф.А

10

15

30

40

20 25 Время, мс б)

Рис.5. Компьютерные осциллограммы при управляемом отключении вакуумным выключателем ненагруженного трансформатора мощностью 3000 кВА по алгоритму/!-/Зі-В-1,2-С (к=20 кВ/мс): а - осциллограммы напряжений, б -осциллограммы токов

почтительными являются полностью детерминированные алгоритмы коммутации, так как в этом случае нет необходимости дополнительного контроля точности коммутации фаз В и С друг относительно друга, а вероятность возникновения повторных зажиганий в последней отключаемой фазе фактически равна нулю (рис.5).

При коммутациях любыми аппаратами всегда существует разброс в работе их полюсов. Поэтому очень важно при управляемой коммутации, определить допустимый временной разброс. Для решения этой задачи было выполнено компьютерное исследование управляемого отключения при варьировании мо-

ментов отключения полюсов ВВ, что позволило определить интервал времени в окрестности перехода тока через ноль, в котором отключение полюсов ВВ не приведет к опасным повторным зажиганиям.

Показано, что с ростом скорости восстановления электрической прочности

в межконтактных промежутках допустимый временной разброс увеличивается.

В Разделе 2 было показано, что при нелинейном законе движения контактов возможно формирование нелинейного закона скорости восстановления электрической прочности в ВДК, обладающего значительными преимуществами при управляемой коммутации. Рассмотренные законы ¿|(/)=Аг(2, $2(0 =Аг'"2,

500 1000 1500 2000 2500 Мощность трансформатора, кВА а)

3000

0.4 -

С

о

о 21

ю

4

Коммутация вида А-И-В Коммутация фазы А

¡з ((М3-(

*4(0 =

0 20 40 60 80 100

Скорость восстановления ЭП в МП (к), кВ/мс б)

Рис.6. Значение абсолютных допустимых разбросов при отключении ненагруженного трансформатора: а ~ при варьировании мощности трансформатора и алгоритма (£=20кВ/мс), б - при варьировании к (5 = 3000 кВА)

менным разбросам размыкания контактов ВДК. В качестве базового закона был выбран линейный закон скорости восстановления электрической прочности в ВДК при к=20 кВ/мс. Наилучший результат получен при использовании закона .у4(г), реализация которого дает ощутимые преимущества, и при этом не должна вызвать повреждения сильфона ВДК благодаря тому, что высокая скорость раз-

А41 <0,1Л/С Ал2 >0,1Л*С' которые представлены на рис.7, при отключении первого полюса вакуумного выключателя приводят к совершенно разным допустимым вре-

Бремя, л*с

Рис.7. Общий вид рассматриваемых законов движения контактов

вивается лишь на начальном этапе перемещения подвижного контакта. Результаты расчетов, связывающих допустимые разбросы времен коммутаций полюсов ВВ с различными законами движения контактов, сведены в табл. 1.

Табл. 1.

Связь допустимых разбросов при отключении полюсов ВВ и законов их движения (отключение фазы А)

Закон движения Допустимый разброс, мс

«і (0 0,1

0,3

Ш 1,4

54(0 7,5

Для проверки достоверности разработанных алгоритмов были выполнены натурные эксперименты на трансформаторе мощностью 630 кВА с применением управляемой коммутации. Однолинейная схема подключения трансформатора и СВВ приведена на рис.8.

Проведенные натурные эксперименты позволяют сделать вывод об эффективности применения управляемой коммутации: на рис.9.а приведена коммутация трансформатора при одновременном отключении полюсов ВВ, на рис.9.б -при отключении по разработанному алгоритму. Незначительное количество повторных зажиганий в первой отключаемой фазе при синхронной коммутации объясняется неточным отключением при переходе тока через ноль.

Четвертый раздел посвящен вопросам снижения бросков тока намагничивания трансформаторов и ограничению предпробоев при включении трансформаторов. Снижение бросков тока намагничивания является важной задачей для уменьшения электродинамических усилий на обмотки трансформатора. Выяснено, что необходимо учитывать наличие предпробоев при включении трансформатора, так как последние возникают при каждом включении и являются причиной негативного воздействия на межвитковую изоляцию трансформаторов. Для учета этих двух явлений была разработана математическая модель применительно к схеме рис.1, учитывающая обозначенные особенности рассматриваемого процесса.

ов

Рис.8. Однолинейная схема подключения СВВ и трансформатора при проведении натурного экспе-

римента:

ВВ КРУВ - вакуумный выключатель взрывозащи-щенного комплектного устройства с комплектом релейной защиты, СВВ - синхронный вакуумный выключатель, ОВ - обводной вакуумный выключатель,

предотвращающий насыщение магнитопроводов трансформаторов тока при включении трансформатора за счет их шунтирования, ТТ - трансформатор тока, Т - силовой трансформатор ТБЕС 630/6, ЦЗО -цифровой запоминающий осциллограф.

Момент Момент отключения отключения фазы С фвзы А

80.6 80.7 Время, мс

а)

Адекватность разработанной математической модели включения ненагруженного трансформатора, используемой для компьютерных расчетов, подтверждается совпадением результатов моделирования с результатами проведенного натурного эксперимента.

Выяснено, что при варьировании момента включения трансформатора невозможно добиться одновременного удовлетворения требований минимальной величины броска тока намагничивания и требований минимального количества повторных зажиганий. Решением в такой ситуации оказалось использование дополнительных конденсаторов, что позволяет коммутировать трансформатор с наименьшими бросками тока намагничивания без перенапряжений. Так, при скорости снижения электрической прочности £сн=100 кВ/мс необходима установка конденсаторов емкостью 10 нФ (для трансформатора мощностью 3000 кВА), значение которой значительно меньше величины емкости, используемой для защиты от перенапряжений при неуправляемых коммутациях.

Разработанный алгоритм включения должен выполняться в следующих последовательностях: В-^-С-^-А или С-і^-В-іц-А. Замыкание первой фазы должно быть осуществлено при переходе фазного напряжения через ноль, второй фазы - при переходе линейного напряжения двух первых включаемых фаз через максимальное значение, последней фазы - при переходе фазного напряжения через максимум.

При таком алгоритме коммутации и установке дополнительных конденсаторов удается ограничить бросок тока намагничивания в пределах (1-2)7номшах при наличии остаточной намагниченности трансформатора, и полностью избавиться от броска тока намагничивания при её отсутствии (рис.10).

37 38 39 40 Время, МС

б)

Рис.9. Экспериментальные осциллограммы напряжений при отключении ненагруженного трансформатора: а - неуправляемое отключение, б - управляемое отключение

Время, мс а)

Момент вкл. ф. А / Момент вкл. ф. С /\ ■ / /\ V

/ ь-7 /л НлГ-

Момент вкл. ф. В 'с® (¿/У 1 А] -

Время, мс б)

Рис.10. Компьютерные осциллограммы при управляемом включении ненагруженного трансформатора (і'тр=3000 кВА, £=100 кВ/мс, Сдоп.=10 нФ): а - осциллограммы напряжений, б -

осциллограммы токов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработанная и изготовленная в процессе выполнения работы синтетическая схема испытания ВВ позволяет определять ряд характеристик ВДК, обычно не фиксируемых при сертификационных испытаниях, а именно: законы и скорости восстановления к и снижения кС1[ электрической прочности в ВДК, величину тока среза /ср, максимальную скорость изменения тока при его обрыве (сШй^тах. Определены характеристики нескольких современных вакуумных выключателей, а также полюса вакуумного выключателя, который может использоваться в составе синхронного вакуумного выключателя. Экспериментально подтверждена линейная связь между скоростью восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в ВДК и скоростью перемещения подвижного контакта.

2. Разработаны математические модели, позволяющие исследовать перенапряжения, возникающие при коммутациях вакуумными выключателями нена-

груженных трансформаторов, а также определять уровни бросков токов намагничивания при включении трансформаторов. В математических моделях предусмотрена возможность осуществления коммутаций полюсов ВВ в произвольной последовательности, что позволило выполнить разработку управляемой коммутации и выдвинуть требования к синхронным вакуумным выключателям. Проведенные натурные эксперименты подтвердили адекватность разработанных математических моделей.

4. Исследовано влияние ряда параметров системы и вакуумного выключателя на переходные процессы. Установлено, что основными характеристиками ВДК, определяющей развитие переходного процесса при коммутациях нена-груженных трансформаторов, являются скорости восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка к и ксн. Показано, что применение произвольных законов восстановления электрической прочности может существенно снизить требования к точности отключения полюсов СВВ при отключении ненагруженных трансформаторов.

4. Применение ОПН не позволяет ограничить опасные для градиентной изоляции коммутируемых ненагруженных трансформаторов высокочастотные перенапряжения, поэтому их применение следует признать неэффективным. При неуправляемом отключении ненагруженных трансформаторов необходимо предусмотреть защиту их изоляции в виде демпфирующих ЛС-цепей. При использовании ЛС-цепей на КТСВП их параметры необходимо рассчитывать для каждого трансформатора индивидуально, т.к. величины емкостей, рекомендованные в циркуляре Ц-05-98(э), недостаточны для эффективного ограничения градиентных перенапряжений.

5. Определены необходимые значения емкостей демпфирующих ЛС-цепей, позволяющие эффективно снизить перенапряжения при неуправляемом отключении ненагруженного трансформатора. Разработана оригинальная малоиндуктивная конструкция ЛС-цепи.

6. Разработаны алгоритмы отключения ненагруженного трансформатора, позволяющие существенно снизить количество повторных зажиганий и уменьшить уровень градиентных перенапряжений при отключении. Выдвинуты требования к допустимому временному разбросу времен отключения полюсов при различных скоростях восстановления электрической прочности в ВДК

7. Разработаны алгоритмы включения трансформаторов, позволяющие снизить броски токов намагничивания и уменьшить количество предпробоев. Выяснено, что при управляемом включении необходимо использование дополнительных конденсаторов незначительной емкости.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

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

2. Устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений: пат. 2414032 Росс. Федерация. / Т.В.Барячина, И.А.Лебедев. №2009138412/07; заявл.19.10.2009; опубл. 10.03.2011. Бюл.№7.

3. Синхронный вакуумный коммутационный аппарат: пат. №2432635 Росс.Федерация. / И.А.Лебедев, С.И.Одокиенко, Е.В.Прохоренко. №2010121938/07; заявл. 28.05.2010; опубл. 27.10.2011. Бюл.№30.

Публикации в научно-технических журналах, трудах Всероссийских и Международных конференций:

4. Барячина Т.В., Лаптев О.И., Лебедев И.А. Исследование перенапряжений при коммутациях вакуумными выключателями трансформаторов и разработка мер защиты от них// Труды Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», Новокузнецк, 2007. С.34-38.

5. Лебедев И.А. Исследование и разработка вакуумного коммутационного аппарата для сетей класса напряжения 6-10 кВ// Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях «Наука. Техника. Инновации», Новосибирск, 2007. Ч.З. С.237-238.

6. Лебедев И.А. Исследование и разработка технических требований к вакуумным коммутационным аппаратам в сетях 6-10 кВ// Труды X Всероссийского студенческого научно-технического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность», Томск, 2008. Т.1. С.91-96.

7. Lebedev I.A. A Study and Development of Engineering Requirements to Vacuum Circuit Breakers Intended for Use in 6-10 kV Power Networks// Proceedings of The Third International Forum on Strategic Technologies. Novosibirsk-Tomsk, Russia, 2008. P. 530-532. [Исследование и разработка требований к вакуумным выключателям для использования в сетях 6-10 кВ].

8. Кадомская К.П., Лебедев И.А., Петрова Н.Ф., Богданов A.A. Выбор средств защиты изоляции обмоток генератора и трансформатора при их коммутации элегазовыми или вакуумными генераторными выключателями// Материалы III конференции «Консолидация усилий электроэнергетики и электротехники в условиях роста инвестиций. Перспективные технологии и электрооборудование», Москва, 2008. С.377-383.

9. Лебедев И.А. Исследование математических моделей и разработка требований к работе синхронных вакуумных выключателей для сетей 6-10 кВ с точки зрения генерирования минимального уровня перенапряжений// Труды XI Всероссийского студенческого научно-технического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность», Томск, 2009. Т.1. С.22-26.

10. Лебедев И.А., Прохоренко Е.В. К вопросу создания синхронных вакуумных коммутационных аппаратов, применяемых в рудничной отрасли// Труды Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», Новокузнецк, 2009. С.206-212.

11. Лебедев И.А., Прохоренко Е.В. Эволюционное развитие выключателей// Энергонадзор. 2011. №5(23). С.34-35.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 тел./факс. (383) 346-08-57 формат 60 X 84/16, объём 1.25 п.л., тираж 100 экз. заказ № 636 подписано в печать 12.04.2012 г.

61 12-5/2700

ФГБОУ ВПО «НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВ Иван Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОММУТАЦИИ ВАКУУМНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К СИНХРОННЫМ ВАКУУМНЫМ

ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМ

Специальность 05.14.12 - «Техника высоких напряжений»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор К.П.Кадомская

Новосибирск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ НА ГОРНОРУДНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ 18

1.1. Общая характеристика исследуемых электрических сетей 1В

1.2. Расчетные схемы и математические модели элементов исследуемых сетей 26

1.3. Выводы по первому разделу 42

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 44

2.1. Постановка задачи 44

2.2. Схема установки и описание её действия 45

2.3. Анализ результатов испытаний 53

2.4. Особенности моделирования отключения ненагруженных трансформаторов вакуумными выключателями 61

2.5. Оценка возможности создания произвольных законов восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в ВДК 68

2.6. Выводы по второму разделу 71

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ОТКЛЮЧЕНИЕ НЕНАГРУЖЕННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 73

3.1. Постановка задачи 73

3.2. Исследование эффективности установки ЯС-цепей 73

3.3. Исследование переходных процессов при неуправляемом 81

отключении и разработка алгоритмов синхронного отключения 3.4. Влияние параметров системы и характеристик выключателя на

переходные процессы 103

3.5. Проведение натурных экспериментов по управляемой

коммутации 110

3.6. Выводы по первому разделу 113 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ СИНХРОННЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ 115

4.1. Постановка задачи 115

4.2. Исследование переходных процессов при неуправляемом включении 117

4.3. Разработка алгоритмов включения трансформаторов 125

4.4. Выводы по четвертому разделу 129 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 130 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 133 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 140 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТЫ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 141

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы при производстве электроэнергетического оборудования появилась возможность использования новейших высокотехнологичных видов электроизоляционных материалов, применение которых ранее было ограничено или недоступно. Предпочтение отдается твердым видам изоляции и монолитным конструкциям вследствие технологичности изготовления изделий, компактных размеров и удобства эксплуатации устройств и аппаратов, отсутствия необходимости в периодическом ремонте. Примерами электрооборудования, выполненного по таким технологиям, могут служить литые силовые и измерительные трансформаторы, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ), кабельные муфты. Необходимость в использовании энергетического оборудования монолитных конструкций имеется в отраслях с высокими требованиями к габаритам используемых устройств, надежности и к практически безремонтному сроку службы устройств, например, в горно-шахтной отрасли.

Монолитным устройствам с твердой изоляцией присущ недостаток: при воздействии перенапряжений с крутым фронтом в толще изоляции из-за наличия инородных включений или дефектов, возникших в процессе изготовления, транспортировки или монтажа, возникают частичные пробои, которые приводят к преждевременному старению изоляции и могут вызвать её полное разрушение.

Существует ряд электроэнергетических устройств, которые из-за особенностей конструктивного исполнения имеют облегченную изоляцию, поэтому такие устройства в большей степени подвержены воздействиям перенапряжений, чем аппараты с обычным уровнем изоляции. К таким устройствам, в том числе, относятся трансформаторы с воздушной изоляцией, вращающиеся электрические машины - генераторы и электродвигатели.

Необходимость в частых коммутациях и надежной работе схем управления трансформаторами и электродвигателями предопределяет использование в качестве коммутационных аппаратов в сетях 6-35 кВ вакуумных выключателей. Вакуумные выключатели имеют существенные преимущества перед выключателями традиционного исполнения - большой коммутационный ресурс, пожаро- и взрывобезопасность, компактные размеры и малую массу, высокую надежность, отсутствие необходимости проведения плановых ремонтов.

Особенностью коммутаций вакуумными выключателями (ВВ) индуктивной нагрузки в большинстве сетей является возможность возникновения множественных повторных зажиганий и крутых волн напряжения, их сопровождающих [1-12]. Высокочастотные перенапряжения могут приводить к деградации межвиткой изоляции и полному разрушению аппаратов и устройств с твердой или облегченной изоляцией. Возможность инициирования высокочастотных перенапряжений является основным недостатком вакуумных выключателей, ограничивающим применение этого типа выключателей (например, для коммутации генераторной нагрузки) и вынуждающим к использованию специальных защитных устройств.

Существует несколько механизмов возникновения перенапряжений при коммутациях трансформаторов и электрических двигателей (ЭД):

- множественные повторные зажигания при схождении и дребезге контактов в ВВ при включении трансформаторов и ЭД [1-3];

- срез тока при отключении трансформаторов и электродвигателей, в том числе одновременный срез тока в двух и более фазах при отключениях установившихся токов ненагруженных трансформаторов[1,4,6,8,10-12];

- разновременность замыкания контактов при включениях ЭД[3];

- многочисленные повторные зажигания и эскалация перенапряжений, сопровождающие отключение трансформаторов и ЭД [1-12];

- «виртуальные» срезы токов при отключении номинальных токов и бросков токов намагничивания трансформаторов при отключении пусковых токов неразвернувшихся ЭД и их номинальных токов [5,10,11].

Наиболее опасными коммутациями с точки зрения возникающих перенапряжений и вероятности их возникновения являются следующие:

- отключение ЭД с неразвернувшимся ротором [1-3,6,9];

- отключение установившихся токов ненагруженного трансформатора [5,6,12];

- отключение броска тока намагничивания трансформаторов [8].

При включениях трансформаторов любыми типами выключателей могут возникать броски токов намагничивания, которые вынуждают осуществлять отстройку и загрубление уставок релейной защиты, а также приводят к повышенным электродинамическим воздействиям на обмотки трансформаторов. Броски токов намагничивания объясняются насыщением стали сердечника трансформатора из-за различия свободной и вынужденной составляющих магнитного потока в момент коммутации. Наиболее рациональным решением избавления от них является использование управляемой коммутации.

Большое влияние на современное понимание механизмов протекания процессов при коммутациях индуктивной нагрузки вакуумными выключателями оказали работы Г.А.Евдокунина, Ф.Х.Халилова, В.В. Базуткина, В.Е.Качесова, М.Попова (M.Popov), К.П.Кадомской и др. Существенный вклад в разработку идей синхронной коммутации выключателей других типов оказали идеи Л.Г.Клепарской, Г.В.Буткевича, рабочей группы WG 13.07 (Л3.07) CIGRE, К.П.Кадомской и др. Большие усилия в разные годы приложили к созданию управляемых вакуумных выключателей различные люди и рабочие группы: М.В.Чалый, О.И.Червинский, В.И.Раховский, Д.Ф.Алферов, Г.С.Белкин, компания Joslin Hi-Voltage и др.

При исследовании процессов коммутаций вакуумными выключателями используются два подхода. Первый подход ориентирован на аналитическое решение систем уравнений и позволяет качественно оценить характер возникающих процессов. Этот метод имеет ряд преимуществ, к которым относятся небольшие затраты времени и возможность понимания физической сущности протекающих процессов. К недостаткам метода можно отнести практическую невозможность учета всех особенностей протекающих процессов в вакуумной дугогасящей камере ВДК, а также учета большого объема параметров сети электропитания и нагрузки.

Другим подходом является численный расчет, который позволяет более полно по сравнению с аналитическим методом учесть характеристики вакуумных выключателей и элементов электрической сети. Численные методы расчета позволяют получить результаты с высокой точностью при корректном учете характеристик моделируемого вакуумного выключателя и элементов сети электропитания и количественно оценить параметры возникающих перенапряжений. Для получения полной картины влияния различных параметров ВВ и коммутируемой нагрузки на характер протекающих процессов необходимо, как правило, осуществить многочисленные расчеты, на выполнение которых нужно затратить значительное количество времени даже с учетом высокой производительности современных персональных компьютеров.

Затруднения при численных расчетах, связанные со сходимостью решения, возникают при моделировании элементов сети, имеющих нелинейные характеристики - это ненагруженные трансформаторы и вакуумные выключатели. Ненагруженные трансформаторы, как правило, моделируются с учетом намагничивания их магнитопроводов, присущих рассматриваемым типам трансформаторов. Определение основной кривой намагничивания трансформаторов при наличии информации об его габаритных размерах и характеристиках стали магнитопроводов не представляет сложностей. Иная ситуация наблюдается при моделировании вакуумных выключателей.

Моделирование выключателей осуществляется с учетом таких характеристик как скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка и ток среза промышленной частоты. Из-за отсутствия полной информации об этих характеристиках часто приходится опираться на ограниченную и в ряде случаев устаревшую информацию о характеристиках аналогичных выключателей из открытых источников информации, что приводит к снижению достоверности полученных результатов. В этой связи следует отметить насущную необходимость при анализе коммутаций конкретных ВВ обладать полной информацией об их испытаниях, включая испытания на коммутационную способность и информацию о величине тока среза и скорости восстановления начальной электрической прочности, а также информацию о максимальной скорости обрываемого тока сИ/Штах, определение которых не входит в объем испытаний, необходимый для прохождения сертификации ВВ.

Мерами по предотвращению опасных коммутационных перенапряжений в настоящее время являются следующие:

- подключение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) между вакуумным выключателем и коммутируемой нагрузкой или между контактами вакуумных дугогасящих камер;

подключение демпфирующей ЯС-цепи между нагрузкой и выключателем.

Применяемые защитные устройства - ОПН и демпфирующие ЯС-цепи не могут повсеместно использоваться в силу своих особенностей. Применение ОПН ограничено их недостаточной эффективностью при высокочастотных коммутационных перенапряжениях, заключающейся в отсутствии их влияния на крутизну воздействующих импульсов и ограничении только их амплитуды [3-5,7,9,11], Использование демпфирующих 7?С-цепей ограничено допустимыми величинами токов однофазного замыкания на землю (033), к

увеличению которого приводит установка ЯС-цепей по стандартной схеме «фаза-земля», а также высокой стоимостью по сравнению со стоимостью ОПН.

В настоящее время ряд исследований, посвященных управляемой коммутации, выполнен для высоковольтных выключателей [13-17] и неприменим для сетей с изолированной нейтралью и коммутаций вакуумными выключателями. Некоторые наработки по управляемому включению могут использоваться для сетей 6 кВ и включению без бросков тока намагничивания, но не учитывают возможность возникновения предпробоев при включении вакуумными выключателями и поэтому являются неоптимальными [18,19]. Некоторые предложенные устройства обладают достаточно высокой точностью работы, но имеют значительные габаритные размеры и массу, а алгоритмы их работы для коммутации индуктивной нагрузки до конца не проработаны [20].

В последние годы в распоряжении производителей вакуумных выключателей появились новые инструменты в виде современной элементной базы, включая промышленные микроконтроллеры, позволяющие осуществить реализацию управляемой коммутации трансформаторов [21 ] с целью снижения возникающих перенапряжений, числа повторных зажиганий, предпробоев и уменьшения броска тока намагничивания. Исследования, направленные на исследование упомянутых переходных процессов, разработку алгоритмов коммутации и требований к ВВ, определяют актуальность темы диссертационной работы.

Целью работы является повышение надежности эксплуатации трансформаторных подстанций с литой и воздушной видами изоляции за счет снижения градиентных перенапряжений и электродинамических усилий на обмотки трансформаторов при коммутациях вакуумными выключателями.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

- разработать экспериментальную установку, позволяющую определять закон и скорости восстановления и снижения электрической прочности межконтактного промежутка в вакуумных выключателях, величину тока среза в используемых вакуумных дугогасящих камерах, а также максимальную скорость отключаемого высокочастотного тока в разрабатываемых вакуумных выключателях и существующих моделях;

- разработать математические модели для исследования коммутационных перенапряжений, возникающих в шахтных сетях 6 кВ, оснащенных вакуумными выключателями; провести натурные эксперименты с целью внесения необходимых дополнений в разработанные математические модели и проверки их адекватности;

- исследовать влияние параметров сети на характер переходных процессов, сопровождающих коммутацию ненагруженные трансформаторных подстанций; разработать альтернативные способы защиты трансформаторных подстанций, не связанные с управляемой коммутацией ВВ;

разработать алгоритмы коммутации синхронных вакуумных выключателей (СВВ) и выдвинуть требования к их работе при включениях и отключениях ненагруженных трансформаторных подстанций.

Методы исследований. При решении поставленных задач использованы следующие методы: математическое (компьютерное) моделирование исследуемых процессов с использованием теории электрических цепей, методы активного, целенаправленного эксперимента, поставленного как в производственных условиях, так и на специально разработанной испытательной установке. При обработке результатов экспериментов использованы методы математической статистики.

Научная иовизна основных положений и результатов работы:

- показано, что количество повторных зажиганий и сопровождающие их перенапряжения при отключении ненагруженных трансформаторов существенно зависят от скорости восстановления электрической прочности (к) межконтактных промежутков выключателя и мгновенного значения протекающих токов в момент размыкания контактов. Выяснено, что при управляемом включении ВВ происходит несовпадение максимумов количества предпробоев и величины броска тока намагничивания при варьировании момента коммутации;

- показано, что оптимальным алгоритмом отключения ненагруженного трансформатора является алгоритм при этом отключение фаз А и В осуществляется при переходе токов в соответствующих фазах через ноль

= 3,7 мс), а отключение фазы С должно происходить после окончания переходных процессов, сопровождающих отключение фазы В (732=1.. .2 мс);

- выдвинуты технические требования к работе СВВ при отключении ненагруженных трансформаторов рассматриваемых мощностей: временной разброс отключения тока вблизи нуля при отключении фаз А и В не должен превышать 0,2 мс при А=20 кВ/мс;

- показано, что оптимальным алгоритмом включения ненагруженных трансформаторов является алгоритм включения трансформатора в три этапа: включение первой фазы должно осуществляться при переходе фазного напряжения через ноль, второй фазы - при максимальном значении линейного напряжения первых двух включаемых фаз, включение третьей фазы - при максимальном фазном напряжении последней включаемой фазы. Обязательным условием для включения трансформаторов рассматриваемых мощностей без предпробоев при скоростях снижения электрической прочности (ксн), не превышающих 100 кВ/мс, является использование дополнительных конденсаторов относительно небольшой емкости;

- разработанная синтетическая схема для определения требуемых характеристик вакуумны