Коммутационное оборудование

В предыдущем номере журнала (см. «Новости ЭлектроТехники» № 4(76) 2012) была опубликована статья об особенностях работы элегазовых выключателей при отключении токов ненагруженных линий 330–750 кВ с присоединенными шунтирующими реакторами, в которой пояснен механизм возникновения апериодической составляющей тока линейных выключателей и даны основные способы ее ограничения. В частности, внимание было обращено на то, что устройства управляемой коммутации в силу неточности своей работы далеко не всегда позволяют защитить элегазовые выключатели.
Новая публикация Михаила Викторовича Дмитриева дает возможность читателям самостоятельно оценить опасность апериодических токов для каждой линии с реакторами, а также проверить эффективность управляемой коммутации в зависимости от точности ее работы. Автор считает, что при имеющейся точности область применения устройств управляемой коммутации недостаточна для повсеместного их использования и на ряде линий придется применять другие способы защиты выключателей.

Михаил Дмитриев, к.т.н, ЗАО «Завод энергозащитных устройств», г. Санкт-Петербург

ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ 110–750 кВ
Методика выбора мероприятий по борьбе с апериодическими токами

В последние годы на ряде подстанций произошла серия повреждений [1] так называемых линейных элегазовых выключателей 500 кВ, то есть тех выключателей, которыми осуществляется коммутация воздушных линий (ВЛ) с присоединенными шунтирующими реакторами (схема рис. 1).

Рис. 1. Включение на холостой ход линии с реактором:
а) реактор установлен в конце ВЛ;
б) реактор установлен в начале ВЛ

Для снижения опасности апериодических токов можно предложить [2]:

• включение ВЛ с предварительно выведенным из работы реактором, подключение которого производить c задержкой в несколько секунд;
• оснастить выключатели ВЛ предвключаемыми резисторами (ПР);
• оснастить выключатели ВЛ блоками управляемой коммутации (УК).

СОСТАВЛЯЮЩИЕ ТОКА ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Согласно [1, 2] в схеме рис. 1 в токе выключателя ВЛ присутствуют следующие составляющие (они показаны на рис. 2):

• периодическая составляющая тока реакторов, имеющая амплитуду I_РП;
• апериодическая составляющая тока реакторов, имеющая начальное максимальное значение I_РА и постоянную времени затухания τ;
• периодическая составляющая тока холостой ВЛ (емкостного тока), которая имеет амплитуду I_ВЛ.

Рис. 2. Составляющие тока выключателя ВЛ с шунтирующими реакторами

Соотношение I_РП и I_ВЛ соответствует K – степени компенсации емкостной проводимости ВЛ индуктивной проводимостью реакторов:

.

Для типовой ВЛ 500 кВ зависимость K от длины ВЛ и числа реакторов типовой мощности показана на рис. 3.

Рис. 3. Коэффициент компенсации в зависимости от длины ВЛ 500 кВ типовой конструкции и мощности присоединенных реакторов

Пусть в схеме рис. 1 синусоида сетевого напряжения описывается выражением:

где E_m – амплитуда фазного значения наибольшего рабочего напряжения сети, ψ – начальная фаза ЭДС (в момент времени t = 0), ω = 2πƒ = 314 рад/с.

В установившемся режиме работы ток реакторов и ток односторонне питаемой ВЛ носят реактивный характер по отношению к сетевому напряжению:

РАСЧЕТ АПЕРИОДИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ТОКА

В переходном процессе включения ВЛ с присоединенными реакторами под сетевое напряжение в токе реакторов (и токе выключателя ВЛ) в общем случае может появляться апериодическая составляющая тока, начальное значение которой будет I_РА = I_РП · sinψ, а ее изменение во времени с учетом затухания будет описываться выражением:

В момент включения линии t=0 напряжение сети будет e(0)=E_m · cosψ, где ψ – угол (рад), при котором происходит включение.

При ψ = π/2 имеем e(0)=0, т.е. включение ВЛ пришлось на нулевое значение сетевого напряжения и, следовательно, начальное значение апериодического тока реакторов будет наибольшим, равным амплитуде периодической составляющей тока реакторов: I_РА = I_РП · sinψ = I_РП.

При ψ=0 имеем e(0)=E_m, т.е. включение ВЛ пришлось на максимум напряжения сети и, следовательно, апериодический ток отсутствует: I_РА = I_РП · sinψ = 0.

Для борьбы с апериодическими токами блоки УК настраиваются на включение ВЛ вблизи от максимального значения сетевого напряжения ψ = 0. С учетом возможной неточности работы УК реально включение ВЛ происходит не при ψ = 0, а с некоторой ошибкой ψ = ±Δψ. При этом мгновенное значение сетевого напряжения будет:

Начальное значение апериодического тока, следовательно:

изменение апериодического тока во времени:

Без учета затухания

Гашение дуги тока наиболее вероятно в моменты минимальных значений суммарного тока выключателя ВЛ, которых согласно рис. 2 может быть два:

В эти моменты желательно, чтобы суммарный ток выключателя ВЛ менял знак. Так как на рис. 2 апериодическая составляющая принята положительной полярности, то условием успешной работы выключателя можно считать I_min1 ≤ 0 или I_min2 ≤ 0, откуда:

Рассмотрим, например, первое условие:

,

.

Аналогично из второго условия найдем:

.

Поскольку 0 ≤ K < u, то окончательно имеем следующие условия:

.

С учетом затухания

Если после включения ВЛ с реакторами под сетевое напряжение возникнет необходимость ее отключения и интервал времени между включением ВЛ и попыткой гашения дуги составит T_В, то при выводе условий гашения дуги необходимо использовать не начальное значение апериодической составляющей I_PA, а значение с учетом затухания: I_PA · exp(–T_B/τ). Тогда найденные ранее условия могут быть приведены к виду:

.

Активное сопротивление сетевой обмотки реактора 500 кВ, управляемого или неуправляемого, составляет R_P = 3 Ом, а индуктивное сопротивление под номинальной нагрузкой составляет X_P = 1531 Ом. Постоянная времени реактора может быть оценена как τ_P = L_P/R_P = X_P/(ωR_P) ≈ 1,6 с. Контур, в котором проходит апериодический ток реактора, включает в себя не только реактор, но и воздушную линию (если реактор установлен в ее конце), а также эквивалент питающей сети. В результате их учета постоянная времени τ затухания апериодического тока будет меньше таковой для реактора: τ < τ_P. Для определенности возьмем τ = τ_P = 1,6 с.

Минимальный интервал времени между включением ВЛ и ее отключением (окончанием воздействия на дугу, то есть последней возможностью ее успешного гашения) составляет около T_B = 0,08 с, как это показано в [2].

Учитывая изложенное, затухание апериодического тока за 80 мс можно оценить как exp(–T_B/τ) = exp(–0,08/1,6) ≈ 0,95, и, следовательно, найденные ранее условия будут:

.

При установке реактора в конце ВЛ затухание апериодических токов будет сильнее, а значит, область опасных значений коэффициентов K будет меньше.

ТОЧНОСТЬ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ

Указанные условия могут быть использованы для построения зависимости Δψ = f(K) (рис. 4) требуемой точности управляемой коммутации в функции от коэффициента компенсации зарядной мощности ВЛ.

Рис. 4. Область применения различных мероприятий по борьбе с апериодическими токами в случае, когда реактор установлен в начале ВЛ

Такая зависимость позволит определить область применения устройств управляемой коммутации ВЛ с учетом имеющейся в настоящее время точности их работы: при каких K управляемая коммутация решит проблему апериодических токов, а при каких K ее действия будет для этого недостаточно.

Точность работы управляемой коммутации, как правило, указывается не в радианах, а в миллисекундах. Тогда перед использованием условий следует провести пересчет из миллисекунд в радианы по следующей формуле:

.

В настоящее время производители устройств управляемой коммутации заявляют точность Δψ_МС = 2 мс, существенно реже Δψ_МС = 1 мс. Поэтому в случае применения УК будем ориентироваться на точность Δψ_МС = 2 мс. Случаю же отсутствия управляемой коммутации соответствует «точность» Δψ_МС = 5 мс.

На рис. 4 можно выделить четыре характерные зоны.

Зона 1. При 0 ≤ K < 0,51 апериодические токи не представляют опасности при любом Δψ_МС, то есть вне зависимости от момента включения ВЛ под сетевое напряжение. Мероприятия по борьбе с апериодическими токами не требуются.

Зона 2. При K ≥ 0,51 найденные ранее условия не выполняются, то есть существует опасность отказа от гашения дуги и необходимы мероприятия по борьбе. Если в качестве таких мероприятий рассматривать управляемую коммутацию, то эффект от ее использования существенно зависит от точности Δψ_МС ее работы:

• при Δψ_МС = 2 мс управляемую коммутацию целесообразно применять в очень узком диапазоне: 0,51 ≤ K ≤ 0,64; при K > 0,64 точности уже не хватает;
• при Δψ_МС = 1 мс диапазон несколько шире: 0,51 ≤ K ≤ 0,77.

Зона 3. При любом значении Δψ_МС (кроме недостижимого на практике Δψ_МС = 0) точности управляемой коммутации заведомо не хватает, и поэтому ее использование бесполезно. Требуется применение предвключаемых резисторов или же коммутация ВЛ без опасного числа реакторов.

Зона 4. На подавляющем числе ВЛ имеет место K ≤ 0,8, значения K ≤ 1,5 уже крайне редки. Именно K = 1,5 было выбрано в качестве наибольшего для рис. 4. Видно, что для 1 ≤ K ≤ 1,5 управляемая коммутация при Δψ_МС = 2 мс (и даже при Δψ_МС = 1 мс) не может решить проблему апериодических токов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье дана упрощенная методика выбора оптимальных средств защиты линейного выключателя от апериодических токов. Указанная методика дополняет общие выводы по проблеме апериодических токов, сделанные в [2].

На примере типовой ВЛ 500 кВ с обычными неуправляемыми реакторами в статье получены следующие предварительные рекомендации по выбору способов борьбы с апериодическими токами:

• при 0 ≤ K < 0,51 мероприятия по борьбе не требуются;
• при 0,51 ≤ K ≤ 0,64 требуются мероприятия, в качестве которых рекомендуется управляемая коммутация с точностью не хуже Δψ_МС = 2 мс (если точность не хуже Δψ_МС = 1 мс, то 0,51 ≤ K ≤ 0,77);
• при K > 0,64 (K > 0,77) в качестве мероприятий требуются или предвключаемые резисторы с параметрами [2], или коммутация ВЛ без опасного числа реакторов.

Выводы получены для случая установки реактора в начале коммутируемой ВЛ без учета сопротивления сети. При установке реактора (реакторов) в конце ВЛ и при учете сопротивления сети область эффективной работы управляемой коммутации будет несколько шире.

Возможности компьютерного моделирования позволяют проводить расчеты переходных процессов включения каждой конкретной ВЛ с учетом ее особенностей, числа и мест установки реакторов, параметров примыкающих к линии систем. Такие подробные расчеты совместно с применением представленной в статье упрощенной методики позволят иметь больше уверенности в оптимальности применяемых на ВЛ технических решений по защите выключателей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев М.В., Евдокунин Г.А. и др. Коммутации высоковольтных ВЛ и воздействия на выключатели // Новости ЭлектроТехники. 2008. № 3(51).
2. Евдокунин Г.А., Дмитриев М.В., Гринев Н.В. Апериодические токи ВЛ 500–750 кВ с шунтирующими реакторами // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 2(76).