 |
ВАКУУМНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
В журнале «Новости ЭлектроТехники» был опубликован материал Павла Антоновича Шейко [1], посвященный вопросам выбора и применения вакуумных и элегазовых генераторных выключателей 6–24 кВ. Многие специалисты отметили, что статья весьма своевременна, так как затрагивает вопросы, связанные с внедрением в сети генераторного напряжения выключателей с новыми дугогасящими и изоляционными средами – вакуумом и элегазом, вытесняющих масляные и воздушные выключатели.
Полностью соглашаясь со всеми основными положениями упомянутой публикации, новосибирские ученые сочли необходимым более подробно остановиться на проблемах внедрения в сети генераторного напряжения блоков электрических станций (в основном ГЭС и ГАЭС, т.е. пиковых и полупиковых станций) вакуумных выключателей. Эти проблемы связаны главным образом с физическими процессами, происходящими в дугогасящей среде в виде вакуума.
Кира Кадомская, д.т.н., профессор
Семен Кандаков, аспирант
Юрий Лавров, к.т.н., доцент
Кафедра техники и электрофизики высоких напряжений Новосибирского государственного технического университета
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ГАШЕНИЕ ДУГИ В ВАКУУМЕ
Вакуумная дуга представляет собой дугу в среде металлического пара. Носители тока попадают в межэлектродный промежуток с катода через множественные точечные источники тока, называемые катодными пятнами. Через каждое пятно протекает ток 60–100 А, что при размерах катодного пятна от нескольких микрон до нескольких десятков микрон создает плотность тока до ста миллионов ампер на квадратный сантиметр. Огромная плотность тока разогревает металл электрода в катодных пятнах, он кипит и испаряется, давление в этих точках достигает десятков атмосфер, а температура – нескольких тысяч градусов.
При таких температурах и давлениях из катодных пятен истекают сверхзвуковые струи плотной, сильно ионизированной плазмы, через которую и замыкается ток на анод. Перед естественным переходом тока через ноль на катоде существует только одно пятно. Поэтому в отличие, например, от воздушных выключателей, для которых характерна зависимость начальной скорости восстановления электрической прочности дугового промежутка после погасания дуги от величины отключаемого тока, в вакуумных выключателях (ВВ) такой зависимости не наблюдается.
Однако упомянутое свойство дугогасящей среды приводит к тому, что при повторном зажигании дуги в вакуумной дугогасительной камере (ВДК) скорость изменения тока, при которой происходит её гашение, оказывается весьма высокой, т.е. при возникающих высокочастотных процессах, сопровождающих повторное зажигание дуги, дуга гаснет практически при первом же переходе тока через нулевое значение. Это обстоятельство приводит к эскалации перенапряжений в процессе отключения ВВ.
Ток среза в современных ВВ, величина которого зависит в основном от материала контактов, не превышает 5–6 А, т.е. существенно меньше номинального тока, отключаемого генераторными выключателями. Поэтому эта характеристика вакуумной дугогасительной камеры ВВ не определяет надежность отключения генераторного присоединения.
Изложенное позволяет заключить, что основной характеристикой ВДК, определяющей надежность отключения электрооборудования ВВ, является начальная скорость восстановления электрической прочности ВДК после погасания дуги промышленной частоты. Иными словами, отключение будет надежным, если оно не будет сопровождаться повторными зажиганиями дуги. Это требование особенно существенно при отключении электрических двигателей, генераторов и трансформаторов, т.е. оборудования, характеризующегося электрической прочностью не только главной изоляции (относительно корпуса), но и витковой изоляции.
При высокочастотных переходных процессах, сопровождающих повторные зажигания дуги в ВДК, на витковой изоляции возникают высокие уровни градиентных перенапряжений, зачастую превышающих её электрическую прочность. На рис.1 приведены экспериментальная и соответствующая компьютерная осциллограммы процесса на выводах электрического двигателя (ЭД) при его отключении ВВ, сопровождающемся неоднократными повторными зажиганиями в ВДК.
Рис. 1. Процессы при отключении ЭД вакуумным выключателем:
а – осциллограмма в реальной сети 10 кВ, б – компьютерная осциллограмма
Из приведенных осциллограмм видно, что за счет высокочастотных колебаний при повторных зажиганиях дуги в ВДК градиентные перенапряжения на витковой изоляции ЭД оказываются высокими. Из-за неравномерного распределения по длине обмотки чрезмерно высокие уровни перенапряжений возникают в её начальной части (рис. 2).
Следует отметить, что защитные аппараты типа ОПН (ограничитель перенапряжений нелинейный), установленные относительно земли на выводах генератора или со стороны обмотки низшего напряжения трансформатора блока, как правило, не ограничивают до безопасного уровня градиентные перенапряжения. Поэтому установка в сети генераторного напряжения блока вакуумного выключателя обеспечит надежную эксплуатацию изоляции электрооборудования блока лишь в случае отсутствия повторных зажиганий дуги в ВДК при отключении коротких замыканий в сети генераторного напряжения.
Рис. 2. Напряжение на первых витках ЭД
при его отключении вакуумным выключателем, сопровождающемся повторными зажиганиями дуги в ВДК
КОММУТАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ ВВ
Наиболее тяжелые условия с точки зрения коммутационной способности генераторных выключателей возникают при отключении первого полюса выключателя в случае трехфазного КЗ между генератором и выключателем (точка К3 на рис. 3).
Рис. 3. Принципиальная схема блока с указанием расчетных точек короткого замыкания
При КЗ в этой точке через выключатель протекает наибольший ток, определяемый мощностью других блоков станции и системы, примыкающей к РУ ВН. Процессы же характеризуются большой частотой, определяемой в основном схемой замещения силового трансформатора блока, обладающего относительно небольшой входной емкостью (простейшая расчетная схема в этом случае приведена на рис. 4). Включаемый в схему генератор тока моделирует ток промышленной частоты (с учетом тока среза), отключаемый первым полюсом ВВ.
Рис. 4. Простейшая схема замещения силового трансформатора
Из рисунка следует, что частота собственных колебаний напряжения на контактах первого полюса выключателя определяется входной емкостью трансформатора и его индуктивностью рассеивания ( ) , т.е. чем мощнее трансформатор блока, тем больше частота собственных колебаний. Увеличение мощности силового трансформатора связано с увеличением мощности блоков на электрической станции, и, следовательно, с увеличением отключаемого тока КЗ, и соответственно с увеличением начальной скорости восстановления напряжения на контактах выключателя. Если скорость восстановления напряжения превышает скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка в ВДК, то в ней возникают повторные зажигания дуги, приводящие к эскалации перенапряжений на витковой изоляции силового трансформатора блока.
Поскольку коммутационная способность ВВ зависит также и от величины отключаемого тока, то она непосредственно связана с отключающей способностью выключателя, определяемой обычно максимальным значением отключаемого тока промышленной частоты и процентным содержанием апериодической составляющей в полном отключаемом токе. При определении коммутационной способности ВВ разумно ориентироваться на составляющую промышленной частоты, так как учет апериодической составляющей в начальной стадии процесса приводит, как правило, к уменьшению начальной скорости восстановления напряжения на контактах ВДК. В настоящее время ВВ используются в основном в блоках малой и средней мощности (не более 200 МВт).
Согласно [2] фирмой Siemens выпускаются ВВ на номинальные токи до 12,5 кА и токи отключения до 63–73 кА. Согласно стандарту IEEE Std C37.013-1997 «Высоковольтные генераторные выключатели переменного тока, номинальные данные которых базируются на симметричных токах» начальная скорость восстановления напряжения на контактах ВВ, при которой не возникает повторных зажиганий дуги в ВДК, составляет 425 кВ/мс.
Эксперименты, производимые российскими исследователями по отключению электрических двигателей ВВ (ВВ/TEL «Таврида-Электрик», Москва; ВВТЭ-М «Электрокомплекс» (ЭЛКО), Минусинск; ВБКЭ НПП «Элвест», Екатеринбург (ВДК фирмы Siemens); ВБЭМ ЗАО «Электроконтактсервис», Саратов), показали, что начальная скорость восстановления электрической прочности междуконтактного промежутка во всех экспериментах не превышала 20–60 кВ/мс, т.е. была существенно меньше скорости, принятой для генераторных выключателей в упомянутом стандарте.
К сожалению, в настоящее время не были проведены аналогичные эксперименты для генераторных ВВ. Однако проведенные компьютерные исследования для двух ГЭС позволили оценить требования к этому весьма существенному параметру ВДК. Исследования проводились как для моноблока мощностью
107 МВт, Uном=13,8 кВ, при отключаемом токе трехфазного КЗ 13,2 кА, так и для укрупненного блока, в состав которого входит силовой трансформатор мощностью 190 МВА с расщепленной обмоткой НН, питающей две секции генераторного напряжения 10,5 кВ, к которым подключены по три генератора мощностью 24 МВт каждый.
Начальные стадии процессов восстановления напряжения на контактах ВВ при отключении первого полюса при трехфазном коротком замыкании между генератором и выключателем (точка К3 на рис. 3) в схемах моноблока и укрупненного блока при эксплуатации всех трех генераторов, подключенных к секции, приведены на рис. 5, а и б соответственно. В табл. 1 приведены основные характеристики процессов, позволяющих проанализировать условия эксплуатации генераторных выключателей в рассматриваемых схемах.
Из таблицы видно, что отключение первого полюса ВВ в рассмотренных схемах, если ориентироваться на требования стандарта IEEE, будет сопровождаться повторными зажиганиями дуги в ВДК. Если же ориентироваться на предельные скорости восстановления электрической прочности междуконтактного промежутка, которые в настоящее время гарантирует фирма Siemens (4,8 кВ/мкс), то при отключении ВВ в рассмотренных схемах блоков ГЭС повторные зажигания наблюдаться не будут. Однако установка на российских ГЭС и ГАЭС выключателей этой фирмы все-таки требует испытаний их пилотных образцов в условиях, максимально приближенных к реальным эксплуатационным условиям на конкретной электрической станции.
Следует также отметить, что надежность эксплуатации как самого ВВ, так и изоляции коммутируемого им электрооборудования существенно зависит от характеристик приводов полюсов выключателя, которые в основном сказываются на надежности осуществления операции включения.
Таблица 1. Основные характеристики процесса восстановления напряжения на контактах ВДК при отключении КЗ между генератором и выключателем
Рис. 5. Начальные стадии процесса восстановления напряжения на контактах ВВ (синие кривые) и требуемые характеристики восстановления электрической прочности междуконтактного промежутка в ВДК (зеленые линии) в рассмотренных схемах моноблока (а) и укрупненного блока (б) ГЭС
При натурных экспериментальных исследованиях процессов включения электрических двигателей, коммутируемых ВВ, наблюдались случаи самопроизвольного отключения выключателя в конце операции включения. Они вызваны, по всей видимости, следующими причинами:
- несовершенством конструкции привода;
- повышенной вибрацией привода в процессе включения;
- недостаточной компенсацией моментов инерции движущихся частей привода при включении и, как следствие, отскоком (дребезгом) контактов. Дребезг же контактов приводит к близким по своей физической сути процессам, сопровождающим отключение выключателя.
Характеристики привода также могут быть проверены при полномасштабных испытаниях как выключателей российского производства, так и выключателей, приобретаемых для установки на ГЭС и ГАЭС у зарубежных изготовителей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Совпадение натурных и компьютерных экспериментов, произведенных в последние годы рядом российских исследователей, при коммутациях высоковольтных двигательных присоединений при разных мощностях двигателей и различных длинах кабелей, позволяет при определении требований к отключающей и коммутационной способностям вакуумных генераторных выключателей воспользоваться компьютерным моделированием.
Определяющей коммутацией для генераторных выключателей является отключение первого полюса выключателя при трехфазном коротком замыкании в схеме блока. Для внесения, как предлагает П.А. Шейко, соответствующих дополнений в ГОСТ 687
необходимо проанализировать схемы ГЭС и ГАЭС, в которых целесообразно устанавливать вакуумные генераторные выключатели, с целью определения диапазонов их параметров, определяющих процессы, сопровождающие коммутации вакуумными выключателями. После установления такого диапазона с помощью компьютерных исследований следует установить и соответствующие требования к отключающей и коммутационной способности вакуумных выключателей.
2. Для повышения достоверности компьютерных исследований целесообразно поручить моделирование какой-либо тестовой задачи, для которой имеются экспериментальные результаты, различным научным организациям с последующим тщательным анализом полученных компьютерных осциллограмм с целью установления наиболее достоверной модели.
3. При проектировании новых электрических станций, так же, как и при модернизации существующих, необходимо проведение соответствующих компьютерных исследований, позволяющих установить как величины отключаемых токов короткого замыкания, так и процессы восстановления напряжения на контактах выключателей при их отключении. Эти расчеты позволят проектантам выбрать выключатели из того ряда, который будет представлен фирмами-изготовителями.
4. Вакуумные генераторные выключатели независимо от завода-изготовителя должны пройти полный объем испытаний на отключающую и коммутационную способности. При испытаниях целесообразно воспроизводить параметры главной схемы, в которой будет применяться вакуумный выключатель. После получения положительных результатов применение вакуумных генераторных выключателей возможно в первую очередь на номинальное напряжение до 10 кВ, номинальный ток 4000 А и номинальный ток отключения от 40 до 63 кА.
Литература
1. Шейко П.А. Генераторные выключатели 6–24 кВ. Проблема выбора и применения // Новости ЭлектроТехники.– 2006. – № 2 (38). – С. 70–72.
2. Евдокунин Г.А., Тилер Г. Современная вакуумная коммутационная аппаратура для сетей среднего напряжения. – СПб: Издательство Сизова М.П., 2000. – 114 с.
С просьбой прокомментировать материал специалистов Новосибирского ГТУ мы обратились к Павлу Антоновичу Шейко, который первым начал обсуждение проблемы генераторных выключателей на страницах нашего журнала.
РЫНОК
ГЕНЕРАТОРНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ОТКРЫТ ДЛЯ НОВЫХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ
Павел Шейко, инженер, г. Москва
Могу только приветствовать подключение новосибирских ученых к обсуждению такой, по моему мнению, актуальной темы, как генераторные выключатели.
В настоящее время в России спрос на генераторные выключатели, которые являются одним из основных видов электротехнического оборудования электростанций, достаточно высокий. Но в стране нет разработанных нашей промышленностью генераторных выключателей с требуемыми характеристиками, поэтому мы вынуждены закупать их за рубежом.
При этом генераторные элегазовые выключатели приемлемых габаритных размеров на номинальные токи 2000–5000 А, номинальное напряжение 6–10 кВ и номинальный ток отключения 40–50 кА не производятся.
У французской компании Schneider Electric есть элегазовый выключатель (Iном = 3150 А, Iном.откл = 50 кА), встраиваемый в ячейку КРУ, который используется в качестве вводного на секцию 6 кВ от трансформатора собственных нужд мощностью 63 МВА на АЭС. Однако, чтобы его использовать в качестве генераторного, необходимо провести дополнительные испытания на возможность отключения апериодической составляющей в токе КЗ и соответственно получить её процентную величину. Кроме того, нужно испытать выключатель в режиме отключения противофазы, а также в ряде других режимов. Специалисты компании обещают провести подобную работу, но когда она завершится, неизвестно.
Нишу потребностей могут закрыть, например, вакуумные генераторные выключатели. Но на российском рынке вакуумных генераторных выключателей сейчас присутствует практически только одна компания – Siemens.
В России разработку вакуумного генераторного выключателя по техническому заданию института «Гидропроект» в свое время начал один из заводов на Урале, но работа закончилась неудачно, поскольку технические требования были составлены некорректно. Контакты РАО «ЕЭС России» с cанкт-петербургским НИИВА не привели к желаемому результату, работы ВЭИ остались внутри института и до производства не дошли.
Отмечу, что специального ГОСТа на генераторные выключатели в РФ нет. В общем стандарте на выключатели ГОСТ 687 прописаны лишь некоторые технические требования к генераторным выключателям, чего явно недостаточно, учитывая специфику применения. Все зарубежные производители ориентируются, в том числе и при проведении испытаний, на стандарт IEEE Std 37.013-1997 «Высоковольтные генераторные выключатели переменного тока, номинальные данные которых базируются на симметричных токах».
В прошлом году Нижнетуринский электроаппаратный завод, входящий в состав ЗАО «Высоковольтный Союз», на базе вакуумной камеры фирмы Siemens разработал свой генераторный выключатель ВГГ-10 на номинальный ток 4000 (5000) А и номинальный ток отключения 63 кА. Завод провел испытания по ГОСТ 687 в испытательном центре «Уралэлектротяжмаша» и объявил о начале выпуска. Однако стоит отметить, что за год заводом были сделаны лишь 2 выключателя, причем только один включен в качестве генераторного. Поэтому о серийном выпуске и широком применении говорить пока рано.
| 
|
