Меню

Что такое коммутация высоких напряжений

Коммутатор: что это такое? Схема коммутатора, управление и неисправности

В различных технических текстах можно встретить термин «коммутатор». Что это такое? В самом общем смысле — это устройство для переключения электрических цепей (сигналов), которое может быть электронным, электронно-лучевым или электромеханическим.

В узком смысле так обычно называют коммутатор зажигания, которым оснащаются любые транспортные средства с бензиновыми двигателями. Этой разновидности коммутаторов, в основном автомобильных, и посвящена данная статья.

Предыстория систем зажигания

Как известно, в каждом цикле работы бензинового двигателя внутреннего сгорания существует этап приготовления топливно-воздушной горючей смеси и этап ее сгорания. Но чтобы смесь сгорела, ее нужно чем-то поджечь.

Первым решением, применявшимся в самых ранних автомобильных ДВС, было зажигание смеси от калильной трубки, вставленной в цилиндр и разогреваемой предварительно перед запуском двигателя. При его работе температура этой трубки постоянно поддерживалась за счет сгорающей в каждом цикле работы смеси.

Интересно, что система искрового зажигания от магнето применялась параллельно с калильным зажиганием автодвигателей, но поначалу только для промышленных газовых ДВС. Этот принцип был быстро перенят и автопроизводителями, а после изобретения Р. Бошем в 1902 году привычной свечи зажигания искровая система стала общепринятой.

Принцип искрового зажигания

В настоящее время наиболее распространена батарейная система зажигания, содержащая источник тока в виде автомобильного аккумулятора при пуске и автомобильного генератора при работающем двигателе, катушку зажигания, представляющую собой трансформатор с высоковольтной вторичной обмоткой, к которой присоединена искрообразующая свеча зажигания, а также распределитель (коммутатор) зажигания. Работа коммутатора заключается в периодическом прерывании цепи тока первичной обмотки катушки зажигания. При каждом таком прерывании тока его магнитное поле, существующее в точках пространства, занятых проводами вторичной обмотки катушки зажигания, очень быстро уменьшается. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции в тех же точках пространства возникает весьма большое вихревое электрическое поле, напряженность которого создает высокую (до 25 кВ) ЭДС во вторичной обмотке катушки зажигания, разорванной электродами свечи. Напряжение между ними быстро достигает величины, достаточной для пробоя воздушного промежутка, и тогда проскакивает электрическая искра, поджигающая топливно-воздушную смесь.

Что коммутируется в системе зажигания?

Итак, автомобильный коммутатор. Что это такое и зачем он нужен? Коротко говоря, это устройство, задачей которого является разрыв цепи тока в первичной обмотке катушки зажигания в наиболее выгодный для этого момент.

В четырехтактном ДВС этот момент наступает в конце такта сжатия (2-го такта работы ДВС), незадолго до достижения поршнем так называемой верхней мертвой точки (ВМТ), в которой расстояние от любой точки поршня до оси вращения коленвала ДВС является максимальным. Поскольку коленвал совершает круговое вращательное движение, то момент прерывания тока привязывают к некоторому его положению перед достижением им и поршнем положения ВМТ. Угол между этим положением коленвала и вертикальной плоскостью называют углом опережения зажигания. Он варьируется в диапазоне от 1 до 30 градусов.

Учитывая историю, на вопрос: «Автомобильный коммутатор: что это такое?» — следует отвечать, что это сначала механический, а позже, по мере развития техники, электронный прерыватель тока в катушке зажигания.

Механический предшественник коммутатора зажигания

Собственно, коммутатором это устройство стали называть лишь в последние годы, после того как оно стало полностью электронным. А прежде, начиная с 1910 года, когда на автомобилях «кадиллак» впервые появилась автоматическая система зажигания, его функцию наряду с другими задачами выполнял прерыватель-распределитель (трамблер). Такая двойственность наименования возникла из-за двоякой функции его в системе зажигания. С одной стороны, ток в первичной обмотке катушки зажигания нужно прерывать – отсюда возникает «прерыватель». С другой стороны, напряжение высоковольтной обмотки катушки зажигания нужно поочередно распределять по свечам всех цилиндров, причем с нужным углом опережения. Отсюда вторая половина названия – «распределитель».

Как работали трамблеры?

Прерыватель-распределитель имеет приводимый во вращение от коленвала внутренний вал, на котором закреплен диэлектрический ротор-бегунок с вращающейся токоразносной пластиной на его торце. По пластине скользит подпружиненная угольная щетка, соединенная с высоковольтным центральным контактом в крышке распределителя, который, в свою очередь, соединен с вторичной обмоткой катушки зажигания. Токоразносная пластина периодически приближается к расположенным в крышке трамблера контактам высоковольтных проводов, идущих к свечам цилиндров. В этот момент во вторичной обмотке катушки возникает высокое напряжение, которое пробивает два воздушных промежутка: между токоразностной пластиной и контактом провода к данной свече и между электродами свечи.

На том же валу установлены кулачки, число которых равно числу цилиндров, а выступы каждого кулачка размыкают одновременно с подключением конкретной свечи контакты прерывателя тока, включенные в цепь первичной обмотки катушки зажигания.

Чтобы между контактами прерывателя не возникало искры при размыкании, параллельно им подключен конденсатор большой емкости. При размыкании контактов прерывателя ЭДС индукции в первичной обмотке вызывает ток заряда конденсатора, но вследствие его большой емкости напряжение на нем, а следовательно и между разомкнутыми контактами, не достигает величины пробоя воздуха.

А как же с углом опережения?

Как известно, при уменьшении частоты вращения коленвала смесь в цилиндрах нужно поджигать в такте ее сжатия попозже, прямо перед самой ВМТ, т.е. угол опережения зажигания следует уменьшать. Наоборот, при увеличении частоты вращения смесь в такте сжатия нужно поджигать пораньше, т.е. угол опережения увеличивать. В трамблерах эту функцию выполнял центробежный регулятор, механически связанный с кулачками прерывателя тока. Он поворачивал их на валу распределителя таким образом, чтобы они пораньше или попозже в такте сжатия смеси размыкали контакты прерывателя.

Изменять угол опережения необходимо и при неизменной частоте, когда меняется нагрузка на двигатель. Эту работу выполняло специальное устройство – вакуумный регулятор зажигания.

Появление первых коммутаторов

К концу 70-х годов прошлого века стало ясно, что самым слабым узлом трамблера являются контакты прерывателя, через которые протекал полный ток первичной обмотки. Они постоянно подгорали и выходили из строя. Поэтому первым решением стала специальная электронная схема коммутатора для прерывания тока в катушке. В ее входную слаботочную цепь включались провода от выводов традиционного контактного прерывателя трамблера. Однако теперь его контакты прерывали не полный ток катушки зажигания, а небольшой ток во входной цепи коммутатора.

Собственно же электронный коммутатор был конструктивно выполнен в отдельном блоке и подключался (по желанию водителя) к классическому трамблеру. Такая система зажигания получила название контактной электронной. Она была весьма популярной в 80-е годы прошлого века. И в наше время еще можно встретить оснащенные ею автомобили.

Схема коммутатора контактной электронной системы собиралась на транзисторах.

Следующий шаг – отказ от контактного прерывателя

Контактный прерыватель тока даже в слаботочном варианте, применяемом в контактной электронной системе зажигания, оставался весьма ненадежным узлом. Поэтому автомобилестроители предпринимали немалые усилия для его исключения. Эти усилия увенчались успехом после создания бесконтактного датчика-распределителя на основе датчика Холла.

Теперь вместо нескольких кулачков на валу распределителя стали устанавливать цилиндрический полый экран с прорезями и шторками между ними, причем число шторок и прорезей равно числу цилиндров двигателя. Шторки и прорези экрана движутся в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом, мимо миниатюрного датчика Холла. Пока мимо него движется шторка экрана, выходное напряжение датчика Холла отсутствует. Когда же шторка сменяется прорезью, с датчика Холла электронной схемой снимается фронт импульса напряжения, свидетельствующий о необходимости прервать ток в первичной обмотке катушки зажигания. Этот импульс напряжения передается по проводам в блок коммутатора тока в катушке зажигания, где он предварительно усиливается и далее используется для управления основным силовым коммутирующим каскадом.

Другим вариантом бесконтактного датчика-распределителя является узел с оптическим датчиком, у которого вместо датчика Холла используется фототранзистор, а вместо постоянного магнита – светодиод. Оптический датчик имеет такой же вращающийся экран с прорезями и шторками.

Появление коммутатора как такового

Итак, в бесконтактной системе зажигания вместо одного контактного трамблера появились два отдельных узла: бесконтактный (но только по низкому напряжению) датчик-распределитель и электронный коммутатор. Функцию же распределения высоковольтного напряжения по свечам зажигания в датчике-распределителе по-прежнему выполняет механический ротор-бегунок с токоразносной пластиной.

А как же с регулированием угла зажигания? Эти задачи по-прежнему выполняют центробежный и вакуумный регуляторы в составе датчика-распределителя. Первый из них теперь поворачивает на валу не кулачки, а сдвигает шторки экрана, изменяя тем самым угол зажигания. Вакуумный же регулятор имеет возможность сдвигать датчик Холла с его опорной пластиной, также регулируя данный угол.

Учитывая вышеизложенное, на вопрос: «Современный автомобильный коммутатор: что это такое?» – следует давать ответ, что это конструктивно обособленный электронный блок бесконтактной системы зажигания.

Отказ от распределения высокого напряжения

Дольше всего в коммутаторе сохранялся механический распределитель высоковольтного напряжения по свечам цилиндров. Самое интересное, что этот узел был достаточно надежен и не вызывал больших нареканий. Однако время не стоит на месте, и в начале нашего столетия схема подключения коммутатора претерпела очередные крупные изменения.

В современных автомобилях вообще отсутствует распределение высоковольтного напряжения от одной катушки по разным свечам. Наоборот, в них «размножились» сами катушки и стали принадлежностью свечи каждого цилиндра. Теперь вместо контактной коммутации свечей по высокому напряжению выполняется бесконтактная коммутация их катушек по низкому напряжению. Конечно, это усложняет схему коммутатора, но и возможности современной схемотехники гораздо шире.

В современных автомобилях с инжекторными двигателями управление коммутатором осуществляет либо автономный блок управления двигателем, либо бортовой компьютер автомобиля. Эти устройства управления анализируют не только скорость вращения коленвала, но множество других параметров, характеризующих топливо и охлаждающую жидкость, температуру различных узлов и окружающей среды. На основании их анализа в режиме реального времени меняются и настройки угла опережения зажигания.

Читайте также:  Формула условного напряжения текучести

Неисправности коммутатора

Наиболее часто встречающейся неисправностью механического трамблера является подгорание его контактов: как подвижных, так и высоковольтных контактов свечей. Чтобы этого не случилось (по крайней мере, не слишком быстро), нужно регулярно осматривать их, и если на них образовался нагар, то его следует снять надфилем или мелкой шкуркой.

Если вышел из строя конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя, или резистор в цепи центрального высоковольтного электрода, то их можно заменить.

Неисправности коммутатора электронного, вызванные выходом из строя усилителя импульсов датчика Холла или коммутатора тока катушки, обычно не подлежат устранению, так как такой коммутатор является неразборным. В этом случае, как правило, неисправный блок просто заменяется новым.

Как проверить коммутатор?

Если обороты двигателя на холостом ходу «плавают», или он глохнет на ходу, или вообще не запускается, то следует проверить наличие искры на подключенных к распределителю зажигания с датчиком Холла свечах. Для этого нужно выкрутить их, надеть наконечники бронепроводов, положить свечи на «массу» и «крутануть» коленвал стартером. Если искры нет или она слабая, нужно переходить к коммутатору.

Но как проверить коммутатор? Следует включить зажигание и оценить, как отклоняется стрелка вольтметра. Если коммутатор исправен, то она должна отклоняться в два этапа. Сначала стрелка занимает некоторое промежуточное положение, в котором остается 2-3 секунды, а затем переходит в конечное (штатное) положение. Если стрелка сразу занимает конечное положение, то можно пробовать заменять коммутатор.

Подключение коммутатора

Как подключить коммутатор к бесконтактной системе зажигания? Следует помнить, что его клеммная колодка подключается двумя проводами к клеммам «Б» и «К» катушки зажигания, трехпроводным жгутом с разъемом — к датчику Холла на датчике-распределителе и одним проводом — к «массе». С выводом «+» аккумулятора схема коммутатора соединяется на клемме «Б» катушки.

Источник

Что такое выключатель нагрузки и как он используется?

Разъединение нагруженных электрических цепей всегда сопряжено с риском искрообразования. Особую опасность таит в себе отключение нагрузки на высоковольтных линиях. Мощная электрическая дуга, образующаяся при коммутации незащищённых контактных ножей, может привести к разрушению силовых контактов и к выходу из строя электрических приборов. Обезопасить процесс коммутации цепей способен выключатель нагрузки, оборудованный устройствами для экстренного гашения дуги.

Выключатели нагрузки (ВН) принадлежат к тем видам коммутационных приборов, которые, по уровню допускаемых токов, занимают промежуточное положение между обычными разъединителями и специальными выключателями номинальных токов, способных отсекать сверхтоки в аварийных ситуациях. Несмотря на то, что коммутация номинального тока выключателем нагрузки допускается, однако прибор не рассчитан на отключение токов перегрузок в случае КЗ. Для этих целей предусмотрено применение специальных высоковольтных предохранителей.

Применение

Выключатели нагрузки применяются в распределительных сетях с целью коммутации линий, силовых трансформаторов, работающих при номинальных напряжениях. Устройства могут использоваться для включения/отключения дополнительных нагрузок, но они не предназначены для защиты от коротких замыканий, за исключением тех конструкций, в которых установлены плавкие предохранители (см. рис. 1).

Такими разъединителями мощности оборудуются высоковольтные линии на 6 – 10 кВ, для токов, не превышающих 400 – 600 А. Для коммутации и защиты более мощных линий электропередач применяются релейные устройства. В маломощных сетях допускается использование ВН без предохранителей.

Существуют компактные выключатели нагрузок до 100 А, которые легко монтируются в распределительных устройствах. Такие рубильники внешне похожи на конструкцию автоматического выключателя (см. рис. 2) и устанавливаются на входах сетей многоквартирных и частных домов. Они управляются только вручную и не отключаются при достижении тока срабатывания защиты.

Наличие модульного выключателя мощности не исключает необходимости защиты проводки в аварийных режимах другими способами. В частности, аварийное отключение домашней электрической сети обеспечивают автоматические пакетные выключатели, но использовать их для частого отключения нагрузки не рекомендуется из-за быстрого износа контактов. В этом смысле переключатель нагрузки более надёжен, так как его контакты рассчитаны на такие режимы работы.

Преимущества и недостатки

У рассматриваемых коммутационных аппаратов есть сильные и слабые стороны.

К преимуществам относятся:

  • меньшая себестоимость, по сравнению с другими видами выключателей;
  • быстрое и надёжное включение и отключение номинальных токов нагрузок;
  • возможность применения дешёвых плавких предохранителей для защиты от перегрузок;
  • наличие у высоковольтных ВН видимого разрыва контактов, что позволяет обходиться без дополнительного разъединителя.
  • ограниченный ресурс эксплуатации;
  • разрыв цепи возможен только для токов, в пределах номинальных значений мощностей;
  • после срабатывания предохранителя необходима его замена.

Устройство и принцип работы

Конструкция высоковольтного выключателя нагрузки очень напоминает устройство трехполюсных разъединителей. На раме расположены поворачиваемые в вертикальной плоскости подвижные ножи, имеющие серповидную форму. Они входят в камеру, где расположены неподвижные контакты.

Управление поворотом ножей осуществляется с помощью механизмов, ручных приводов, либо полуавтоматических устройств. Электромагнитный привод, использующий соленоид обеспечивает дистанционное отключение нагрузки высоковольтных приборов, а в отдельных случаях работу в автоматическом управлении.

На рисунке 3 представлен чертёж трёхполюсного ВН с ручным приводом.

Обратите внимание (рисунок слева) на то, что в конструкции предусмотрено установку предохранителей, которые не показаны на чертеже. Все токоведущие части отделены от рамы мощными изоляторами (рисунок справа).

Для обеспечения необходимой скорости разъединения контактов применяются пружинные механизмы. При повороте вала пружина накапливает потенциальную энергию, которая в определённый момент высвобождается, направляя накопленную мощь на движение ножей. Пружинный механизм хорошо виден на рисунке 4.

В комплект выключателя нагрузки могут входить стационарные ножи заземления. Эти элементы дополнительной защиты имеют механизмы блокировки от ошибочных действий персонала.

Главное отличие ВН от разъединителей – это наличие дугогасительных устройств, обеспечивающих сохранность неподвижных и подвижных контактов при коммутации. Гашение электрической дуги, которая неизбежно зажигается при отключении или включении нагруженной цепи, происходит в дугогасительных камерах, оборудованных вкладышами, изготовленных из полимеров. Дуги гасятся потоком продуктов испарения вкладышей, образующихся под действием высоких температур возникающего разряда.

В зависимости от конструкции ВН принцип гашения может отличаться. Следует помнить, что камеры гашения не обеспечивают абсолютного отсутствия дуги, которая, хоть и на очень короткий период времени, всё-таки возникает. Задача состоит в том, чтобы как можно быстрее подавить разрастание разряда, устранив условия для его существования.

Эффект гашения достигается различными способами: путём сдувания ионизированного воздуха с контактов, заполнением камер специальными смесями газов или созданием вакуума. В зависимости от принципа подавления дуги различают разные типы выключателей.

По способу гашения дуги в камерах, ВН подразделяются на следующие виды:

  • автогазовые;
  • элегазовые;
  • вакуумные;
  • воздушные;
  • масляные;
  • электромагнитные.

Автогазовый (газогенерирующий) выключатель

Устройство предназначено для оперативной коммутации силового электрооборудования. Подавление дуги происходит под действием газов, генерируемых в камере гашения. Вкладыш из мочевиноформальдегидной смолы или из полиметилметакрилата, расположенный внутри камеры, в момент коммутации дугогасительных контактов молниеносно нагревается. Под действием высокой температуры происходит испарение верхнего слоя полимера, а образовавшийся поток газов интенсивно гасит электрическую дугу.

Условие для испарения вкладыша создают дугогасительные контакты, запуская процесс «продольного дутья». Во включенном состоянии номинальный ток протекает по основным контактам.

Автогазовые ВН активно используются в России и в странах СНГ. Они применяются на подстанциях, устанавливаются в распределительных устройствах электросетей 6 – 10 кВ с изолированной нейтралью. В основном их монтируют там, где экономически не выгодно применять установки другого типа, а использование разъединителей запрещено правилами ПУЭ.

Данный тип выключателей имеет самую низкую стоимость и высокую ремонтопригодность. Эти преимущества способствуют росту популярности газогенерирующих выключателей.

Вакуумный высоковольтный выключатель

Очень эффективное, но дорогое устройство, позволяющее выключать не только номинальные токи нагрузки, но и сверхтоки при КЗ. Контакты вакуумных выключателей находятся в вакуумной камере со сверхнизким давлением (порядка 10 -6 — 10 -8 Н/м). Отсутствие газа создаёт очень большое сопротивление, что препятствует горению дуги.

При размыкании/замыкании контактов дуга всё-таки возникает (за счёт образования плазмы из паров металла контактов), но она практически мгновенно, гаснет, в момент перехода через ноль. В течение 7 – 10 мк/с пары конденсируются на поверхности контактов и на других деталях камеры.

  • вакуумные выключатели до 35 000 В;
  • устройства для напряжений, превышающих 35 кВ;
  • вакуумные контакторы для сетей в 1000 В и выше.
  • работа выключателя в любом положении;
  • коммутационная износостойкость;
  • стабильная работа;
  • пожарная безопасность.

Из недостатков можно выделить сравнительно высокую стоимость из-за сложности технологии производства камер.

Элегазовые ВН

В коммутационных аппаратах данного типа для гашения дуги используется элегаз. Работает устройство по принципу автогазовых выключателей, но вместо воздуха для гашения дуги применяется шестифтористая сера (SF 6) с добавками других газов.

В корпус камеры гашения из герметической ёмкости поступает элегаз, который не выбрасывается в атмосферу, а используется повторно. Различают колонковые и баковые устройства (см. рис. 5).

В конструкциях таких выключателей используется встроенные трансформаторы тока. Современные элегазовые ВН могут работать в распределительных устройствах сверхвысокого напряжения, достигающего 1150 кВ.

Условное обозначение и маркировка

Для маркировки выключателей нагрузки используются буквенные и цифровые символы, сгруппированные по группам:

ВН Х-Х-00/0-0 хх 0 Х0.

Заметим, что приведённая структура обозначения может отличаться в маркировках разных типов конструкций.

Читайте также:  Падает напряжение при нажатии сцепления

Рассмотрим один из вариантов.

  • Первая группа букв содержит информацию о типе выключателя. ВН – выключатель нагрузки. Иногда буква Н отсутствует, а на её месте, а чаще всего Х на второй позиции обозначает тип изделия либо вариант исполнения.

Буквенное обозначение типов конструкции:

  • М – масляный;
  • ММ – маломасляный
  • А– автогазовый.

(Элегазовые рубильники имеют свою структуру обозначения).

Буквенное обозначение вариантов исполнения:

  • М – модернизированный;
  • П – пружинный привод;
  • Р – ручной привод;
  • Э – электромагнитный.

Х на третьей позиции может обозначать расположение привода:

  • П – правое;
  • Л – левое.

На четвёртой позиции (00) цифры, указывающие номинальное напряжение в кВ.

5 позиция (/0) – номинальный ток отключения, в кА.

6 позиция (0) – номинальный (сквозной) ток выключателя.

7 позиция (хх) – расположение заземляющих ножей (иногда климатическое исполнение). п – за предохранителями, в – со стороны контактов заземления.

8 позиция (0) – обозначает тип устройства подающего команды для отключения (при наличии).

9 позиция (Х0) – климатическое исполнение и категория размещения.

Пример: маркировка ВВЭ – 15 – 25/ 680 – УЗ означает: Выключатель вакуумный, с электромагнитным приводом, рассчитанный на напряжение 15 кВ, ток термической стойкости – 25 кА, номинальный ток ВН – 680 А, применяется в условиях умеренного климата, предназначен для внутренней установки.

На рисунке 6 приведён пример обозначения на схеме.

Отличие от автоматического выключателя

Основной признак отличия от автоматического выключателя в том, что рассматриваемые устройства не могут работать в автоматическом режиме. Для отключения ВН требуется вмешательство оператора – с помощью ручного привода или дистанционно (в зависимости от конструктивного исполнения). Автоматический выключатель размыкает цепь при достижении тока срабатывания защиты.

Отличить устройства можно по их маркировке и по внешнему виду.

Технические параметры

Выключатели нагрузки характеризуются тремя важными параметрами:

  • номинальным напряжением;
  • током термической стойкости;
  • номинальным током ВН.

Другие параметры учитываются исходя из условий расположения, желаемого способа коммутации и выбора типа исполнения.

Источник



Что такое коммутация высоких напряжений

Георгий Евдокунин, д.т.н, профессор кафедры «Электрические системы и сети» СПбГПУ
Михаил Дмитриев, к.т.н., начальник отдела научно-технических исследований ЗАО «ЗЭУ», г. Санкт-Петербург
Сергей Гольдштейн, директор Департамента эксплуатации АО «KEGOC», Казахстан
Юрий Иваницкий, начальник отдела Департамента эксплуатации АО «KEGOC», Казахстан

В сетях 330-1150 кВ для обеспечения баланса реактивной мощности и регулирования уровней напряжения традиционно применяются шунтирующие реакторы. В ряде случаев такие реакторы оказываются присоединенными к сборным шинам распределительных устройств, а в некоторых – к воздушным линиям.
В последнем случае в процессе эксплуатации могут возникнуть серьезные проблемы – так считают, опираясь на опыт эксплуатации, наши авторы из России и Казахстана.

Оснащение воздушных линий (ВЛ) шунтирующими реакторами (ШР) заметно усложняет процессы при коммутациях воздушных линий и способно приводить к резонансным явлениям, обусловленным наличием емкости у линии и индуктивности у реактора. В частности, широко известны проблемы [1, 2] применения цикла однофазного автоматического повторного включения (ОАПВ) воздушных линий с реакторами, когда после погасания дуги тока подпитки напряжение на отключенной фазе ВЛ может представлять серьезную опасность для оборудования линии, для ее ограничителей перенапряжений, измерительных трансформаторов напряжения, реакторов и выключателей. Опыт эксплуатации сетей 500 и 1150 кВ (при работе на 500 кВ), накопленный за последние годы казахской сетевой компанией KEGOC, говорит о необходимости широкого обсуждения и других, помимо ОАПВ, режимов и коммутаций ВЛ с реакторами. Прежде всего речь идет о серии повреждений на ПС «Кокшетауская» (рис. 1) с выключателем В-504 при коммутациях им ВЛ 1150 кВ «Кокшетауская – Костанайская» № 1102, работающей на напряжении 500 кВ.

В качестве В-504 до недавнего времени использовался воздушный выключатель типа ВВБК-500, а затем он был заменен на колонковый элегазовый выключатель типа НРL-550-В2 с автокомпрессионным дугогасительным устройством, после чего интенсивность повреждений фаз В-504 резко возросла.
В результате совместной работы удалось установить, что причинами повреждений выключателя являлись как дефекты его изготовления и конструкции, так и нетиповые условия и режимы, в которые он попадал.
Исследования, положенные в основу статьи, показали, что неблагоприятные условия для выключателя возникают при коммутациях ВЛ с присоединенными реакторами, когда коэффициент компенсации индуктивностью реактора емкости линии близок к единице. Среди таких коммутаций следует отметить:
быстрые циклы «включение–отключение» ВЛ, когда на момент отключения в токе выключателя присутствует главным образом, апериодическая составляющая, величина которой не более нескольких сотен ампер; наличие такой малой апериодической составляющей затягивает время гашения дуги, что особенно опасно для выключателей автокомпрессионного типа, где интенсивность гашения зависит от величины тока;
неполнофазные коммутации ВЛ, когда опасные напряжения возникают не только на изоляции «фаза–земля» линии, но и на продольной изоляции выключателя, приводя к ее повторным пробоям и повреждению; при этом возможны случаи, когда значительные напряжения на продольной изоляции выключателя существуют при относительно безопасном уровне напряжения «фаза–земля» линии.
Серьезность проблемы заключается, во-первых, в высокой стоимости высоковольтного оборудования, и, во-вторых, в том, что в соответствии со сложившейся практикой число шунтирующих реакторов на ВЛ подбирают как раз на компенсацию, близкую к полной.

КОЭФФИЦИЕНТ КОМПЕНСАЦИИ ИНДУКТИВНОСТЬЮ РЕАКТОРОВ ЕМКОСТИ ЛИНИИ

Пусть к ВЛ присоединено N = NH + NK шунтирующих реакторов, где NH – количество реакторов в начале, а NK – в конце. Для анализа перенапряжений, возникающих на каждой из ВЛ, можно пользоваться схемой замещения, показанной на рис. 2, при приближенном эквивалентировании концевых элементов сети. Индуктивное сопротивление одного реактора:

где UHP – наибольшее рабочее (линейное, действующее) напряжение сети (кВ),
QP – мощность шунтирующего реактора (МВАр).

Соотношение K и fC дано в табл. 1. Для ВЛ определенной длины при определенном числе ШР коэффициент компенсации емкостной проводимости линий может быть близок к единице, т.е. частота свободных колебаний близка к частоте вынужденных колебаний 50 Гц, и линия способна проявлять свои резонансные свойства, которые могут приводить к опасным явлениям, таким, как перенапряжения на изоляции оборудования линии или отсутствие нулей в отключаемом токе выключателя линии. Рассмотрим эти явления далее.

КОММУТАЦИИ ВЛ И НАПРЯЖЕНИЕ НА ИЗОЛЯЦИИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

При реальных длинах ВЛ резонансные свойства линии с реакторами проявляются, как правило, не в нормальном симметричном режиме работы, а во всевозможных несимметричных режимах – например, при неполнофазном питании ВЛ от сети.
Квазиустановившийся режим Определим квазиустановившиеся напряжения на отключенных фазах ВЛ в различных несимметричных (неполнофазных) режимах. Вначале рассмотрим режим неполнофазного питания ВЛ по двум фазам. Расчетная схема показана на рис. 3. ВЛ считается идеально транспонированной и представлена в виде набора емкостей – собственных емкостей фаз на землю C (емкость нулевой последовательности) и междуфазных емкостей Cm. Взаимосвязь собственной емкости фазы, междуфазной емкости и емкости прямой последовательности определяется как C1 = C + 3Cm или как b1 = b + 3bm, откуда bm = w Cm = (b1 – b) / 3.
Все присоединенные к линии ШР представлены в виде трехлучевой звезды эквивалентных индуктивностей LРЭ. Питающая система представлена в виде набора фазных ЭДС EA, EB, EC, соединенных в звезду.
С использованием метода симметричных составляющих [2] для схемы рис. 3 можно получить условия резонансного повышения напряжения на отключенной фазе:

Одним из характерных примеров неполнофазного включения ВЛ 1150 кВ является ОАПВ, при котором на некоторое время одна из фаз ВЛ отключается от сети. Расчеты квазистационарного режима бестоковой паузы при ОАПВ воздушных линий проводят для оценки возможности самопогасания дуги подпитки (и выбора специальных мер, обеспечивающих гашение), а также для проверки отсутствия недопустимого повышения напряжений на отключенной фазе после погасания дуги, что важно:

  • для исключения повреждений изоляции присоединенного к ВЛ оборудования (ОПН, трансформаторов напряжения, реакторов);
  • для исключения повторных пробоев в месте повреждения изоляции, т.е. необходимо для повышения вероятности успешности ОАПВ.

При ОАПВ на процессы на ВЛ влияет индуктивность нулевых реакторов, включаемых на время ОАПВ в нейтраль шунтирующих. В KEGOC на ВЛ нулевые реакторы в нейтрали ШР в настоящее время выведены из работы, законсервированы и при ОАПВ не используются. Учитывая это, на рис. 3 в нейтрали ШР нулевые реакторы не показаны.
Теперь рассмотрим режим неполнофазного питания ВЛ по одной фазе. Расчетная схема показана на рис. 4. Такой несимметричный режим может возникать, например, при плановом отключении ВЛ, когда одна из фаз выключателя отказала в отключении и осталась во включенном состоянии.
С использованием метода симметричных составляющих для схемы рис. 4 можно получить условия резонансного повышения напряжения на отключенных фазах:

Итак, в квазиустановившемся режиме несимметричного (неполнофазного) питания ВЛ 330–1150 кВ напряжение на отключенных фазах ВЛ может достигать значительных величин в следующих случаях:

  • для K = 0,93 при питании ВЛ от сети двумя фазами;
  • для K = 0,86 при питании ВЛ от сети по одной фазе.

Можно показать [2], что при коэффициенте компенсации, отличающемся более чем на 10% от указанных значений, квазиустановившееся напряжение 50 Гц на отключенной фазе не превосходит фазного напряжения сети, т.е. формально неопасно для изоляции «фаза–земля» оборудования. Поэтому при проектировании ВЛ и оснащении ее шунтирующими реакторами неблагоприятным считается диапазон коэффициента, ограниченный снизу значением K = 0,9 · 0,86 = 0,77, а сверху – значением K = 1,1 · 0,93 = 1,02. Для ухода от резонансных явлений, опасность которых проверяется, к сожалению, только при ОАПВ, на время ОАПВ возможна реализация одного из следующих мероприятий:

  • отключение или подключение одного ШР;
  • ввод в работу нулевого реактора в нейтрали ШР.
Читайте также:  Стабилизатор напряжения fsp power avr 1000

Воздушная линия «Кокшетауская-Костанайская» имеет коэффициент, приведенный в табл. 3. При всех значениях коэффициент компенсации лежит вне упомянутого заведомо опасного диапазона значений, т.е. на первый взгляд резонансные процессы на этой ВЛ не представляют угрозы. Однако если рассмотреть не квазиустановившийся режим неполнофазного включения, а переходный режим, то напряжение «фаза–земля» имеет сложную форму биений и в ряде случаев может представлять серьезную опасность. Поэтому рассмотрим далее переходные режимы неполнофазного включения.

Переходный режим

На рис. 5-6 приведены осциллограммы, соответствующие успешному ОАПВ (все расчеты переходных процессов проведены с помощью программного комплекса ЕМТР). Из рис. 5 видно, что напряжение «фаза–земля» формально неопасно, поскольку не превосходит амплитуды фазного значения наибольшего рабочего напряжения сети

Однако разность напряжения линии, совершающего свободные колебания с частотой fC, и напряжения сети f = 50 Гц достигает величины удвоенного наибольшего рабочего напряжения, т.е. приблизительно 860 кВ (см. рис. 6).
Согласно ГОСТ 1516.3-96 [3] изоляция между разомкнутыми контактами выключателей и разъединителей 500 кВ испытывается одноминутным напряжением промышленной частоты:

  • с амплитудой 815 кВ – для оборудования с изоляцией класса «А» (облегченная изоляция);
  • с амплитудой 1030 кВ – для оборудования с изоляцией класса «Б» (полная изоляция).

Согласно ГОСТ-Р 52565-2006 [4] в условиях рассогласования фаз и при токе, равном 0,25 · IО, Н, выключатель должен выдерживать воздействие возвращающегося напряжения, равного удвоенному значению наибольшего рабочего напряжения сети. Для выключателя класса 500 кВ это соответствует амплитудному значению напряжения 860 кВ.
Как видно из расчетов (см., например, рис. 6), возможная коммутация в таком режиме выключателя В-504 при N = 2 дает воздействие на его продольную изоляцию напряжения, близкого к испытательному, а потому потенциально опасного.
Значительные перенапряжения на одной из фаз ВЛ могут проявляться не только при ОАПВ, но и в других несимметричных режимах:

  • при неполнофазном включении (отключении) ВЛ, ставшем следствием отказа одного или двух полюсов (полуполюсов) выключателя;
  • при кратковременном неполнофазном включении (отключении) ВЛ, вызванном разбросом в действии полюсов выключателя;
  • при задержке в отключении одного или двух полюсов, вызванной наличием апериодической составляющей в токе выключателя.

Необходимость расчетов переходных процессов, возникающих в разных режимах и неполнофазных схемах, следует из отличия начальных условий при образовании даже одной и той же неполнофазной схемы и, как следствие, получения различных кратностей максимальных перенапряжений.
Кроме того, максимальное напряжение на продольной изоляции увеличивается за счет переходных процессов в питающей сети. Для ПС «Кокшетауская» речь идет о показанных на рис. 1 линиях ВЛ-519 и ВЛ-1101, учет которых приводит к увеличению расчетного напряжения на продольной изоляции до 100 кВ.
В качестве примера напряжения, воздействующего на продольную изоляцию выключателя В-504 в переходном процессе неполнофазного отключения ВЛ (отключение двух фаз из трех), на рис. 7 даны расчетные осциллограммы, для которых характерен момент времени 0,1 с – неполнофазное отключение.
Из осциллограмм видно, что наиболее опасные перенапряжения на продольной изоляции выключателя возникают при отключении ВЛ- 1102 (N = 2) и отказе одной из фаз. В этом случае, согласно рис. 7 (случай N = 2), сравнительно быстро мгновенное значение напряжения, приложенного к продольной изоляции В-504, достигает 1600 кВ! Как следует из неприведенных здесь расчетов, напряжения, воздействующие на продольную изоляцию выключателей линии, могут быть опасными не только при неполнофазном отключении ВЛ, но и при ее неполнофазном включении. Однако при отключении напряжения, как правило, выше и, кроме того, они приложены к межконтактному промежутку, только что закончившему гашение дуги и еще не вполне восстановившему свою электрическую прочность.
Приведенные выше осциллограммы и опыт эксплуатации KEGOC свидетельствуют о необходимости при проектировании выполнять расчеты не только квазиустановившегося напряжения при ОАПВ, как это делается, но и расчеты напряжения в других режимах с учетом возможности присоединения к ВЛ различного числа реакторов. При этом надо обращать внимание как на напряжение «фаза–земля», так и на напряжение, воздействующее на продольную изоляцию выключателя линии.
Для ухода от резонансных явлений, выявленных в расчетах, возможна реализация одного из следующих мероприятий:

  • отключение или подключение одного ШР;
  • ввод в работу нулевого реактора в нейтрали ШР.

КОММУТАЦИИ ВЛ И ТОК В ВЫКЛЮЧАТЕЛЕ

Повреждения В-504 происходили в том числе в тех случаях, когда отключению ВЛ-1102 с малым интервалом времени предшествовало ее включение.
В переходном процессе включения ВЛ с шунтирующими реакторами ток в выключателе будет содержать затухающую апериодическую составляющую и наложенную на нее периодическую.
Соотношение периодической и апериодической составляющей в токе выключателя имеет принципиальное значение и зависит от длины ВЛ в сочетании с числом реакторов на ней. В случае, когда в токе доминирует апериодическая составляющая, суммарный ток в выключателе может сравнительно долго (пока в достаточной степени не затухнет апериодическая составляющая) не иметь «нулей», что создает трудности в его отключении.
Иными словами, если отключение резонансно настроенной ВЛ с реакторами следует с малым интервалом времени вслед за ее включением, то отключаемый ток определенное время может не иметь нулей, т.е. будет затянут процесс гашения дуги. Более того, процесс гашения дуги может завершиться в разных фазах неодинаково быстро, что приведет к возникновению несимметричной схемы питания ВЛ даже при штатной работе выключателя.

Соотношение периодической и апериодической составляющей в токе выключателя имеет принципиальное значение и зависит от длины ВЛ в сочетании с числом реакторов на ней. В случае, когда в токе доминирует апериодическая составляющая, суммарный ток в выключателе может сравнительно долго (пока в достаточной степени не затухнет апериодическая составляющая) не иметь «нулей», что создает трудности в его отключении.
Иными словами, если отключение резонансно настроенной ВЛ с реакторами следует с малым интервалом времени вслед за ее включением, то отключаемый ток определенное время может не иметь нулей, т.е. будет затянут процесс гашения дуги. Более того, процесс гашения дуги может завершиться в разных фазах неодинаково быстро, что приведет к возникновению несимметричной схемы питания ВЛ даже при штатной работе выключателя.

В ГОСТ 12450-82 на выключатели [5] не дается каких-либо ограничений на отключение выключателями апериодической составляющей тока в несколько десятков ампер.
Согласно табл. 3, где указаны коэффициенты компенсации реактивной мощности, ВЛ-1102 относится к тем линиям, у которых при целом числе реакторов практически полностью компенсируется зарядная мощность (для ВЛ-1102 при N = 3 имеет место K = 1,1). Учитывая, что параметры воздушных линий электропередачи невозможно определить точно, можно полагать, что ВЛ-1102 при N = 3 близка к резонансной настройке или даже настроена точно в резонанс. Это означает, что при установившемся симметричном режиме одностороннего питания ВЛ-1102 через В-504 в случае N = 3 тока промышленной частоты в выключателе не будет (или он будет незначительным).
Примеры расчетных осциллограмм тока В-504 при включении ВЛ-1102 с реакторами показаны на рис. 8 (включение В-504 происходит в условный момент времени 0,1 с). Реально на скорость затухания апериодической составляющей существенно влияет дуга в выключателе: ее учет приводит к более быстрому затуханию апериодической составляющей. В данной работе расчеты выполнены без учета дуги. Необходимо провести уточненные расчеты времени затухания апериодических составляющих на основании данных завода-изготовителя выключателей либо получить их с помощью специально проведенных экспериментов.
На рис. 9 для случая N = 3 показаны осциллограммы токов выключателя В-504, когда его включение происходит в момент 0,105 с, т.е. при других мгновенных значениях напряжения питающей сети. Видно, что если сразу после включения В-504 дать команду на его отключение, то при N = 3 первые нули тока (в которые наиболее вероятно его гашение) в различных фазах будут в разное время:

  • на рис. 8 первой отключится фаза «А»;
  • на рис. 9 первыми отключатся фазы «В» и «С».

В компьютерных расчетах и при анализе аварийных осциллограмм исследование переходных процессов в цикле «включение – отключе- ние» ВЛ затруднено, так как у нас нет достоверных данных:

  • о скорости затухания апериодической составляющей тока реакторов и линии;
  • о погрешности, с которой измерительный ТТ передает апериодическую составляющую тока в измерительные цепи.

Отключение сравнительно небольшого по величине, медленно затухающего апериодического тока, составляющего десятки-сотни ампер, является непростой задачей для выключателей автокомпрессионного типа, интенсивность дугогашения в которых зависит от величины тока. В случае применения на линии таких выключателей отключение ВЛ должно проводиться:

  • или с достаточной задержкой после включения;
  • или при коэффициенте компенсации, заметно отличном от единицы, что при резонансной настройке достигается предварительным
  • введением или выведением из работы одного ШР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В различных неполнофазных режимах питания ВЛ, в зависимости от числа реакторов на этих линиях, на изоляции «фаза–земля» отключенных фаз возможно развитие опасных квазистационарных перенапряжений резонансного характера (и при ОАПВ, и в других случаях).
2. Даже если напряжение «фаза–земля» не представляет особой опасности, расчетным путем следует проверять напряжение на продольной изоляции выключателя линии в различных переходных процессах, сопровождающих образование неполнофазных режимов.
3. Следует избегать быстрых циклов «включение– отключение» (симметричных или неполнофазных) в тех случаях, когда к линии присоединено столько шунтирующих реакторов, что коэффициент компенсации близок к единице. В частности, в таких случаях следует обратить внимание на цикл быстрого трехфазного автоматического повторного включения (ТАПВ), в котором возможно повреждение выключателя.

ЛИТЕРАТУРА

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник

Adblock
detector