Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



В. Ф мануйлов, доц

В. Ф мануйлов, доц




Сторінка1/3
Дата конвертації25.03.2017
Розмір0.58 Mb.
  1   2   3

В.Ф Мануйлов, доц.

Кіровоградьский національний технічний університет
Перенапруги в мережах 6(10) – 35 кВ при комутаціях вимикачами.

Те́хніка (від грец. techne - мистецтво, майстерність) - сукупність засобів, створених людством для обслуговування своїх потреб виробничого і невиробничого характеру. У техніці матеріалізовані знання і виробничий досвід, накопичені людством у процесі розвитку суспільного виробництва.

Процеси в дугастих системах і електричних мережах 6(10) – 35 кВ при комутаціях вимикачами
1 Причини виникнення перенапружень в мережах 6(10) - 35 кВ

Спробуємо розібратися в причинах перенапружень.

Систе́ма (від дав.-гр. σύστημα - «сполучення», «ціле», «з'єднання») - множина взаємопов'язаних елементів що утворюють єдине ціле, взаємодіють з середовищем та між собою, і мають мету.

Напрýження (механі́чне напру́ження) - міра інтенсивності внутрішніх сил, розподілених по перетинах, тобто зусилля, що припадають на одиницю площі перетину тіла. В Міжнародній системі одиниць напруження обчислюють у паскалях, Па.

Електродвигу́н, Електромото́р (рос. электродвигатель, англ. electric motor, нім. Elektromotor) - електрична машина, двигун, що перетворює електричну енергію на механічну.

Почнемо з простого твердження, очевидного для будь-якої людини, знайомого з курсом ТОЕ: будь-яка комутація (включення або відключення) якого-небудь елементу мережі (трансформатора, електродвигуна, конденсаторної батареї, повітряній або кабельній лінії і так далі) викликає перехідний процес. Це пов'язано з тим, що мережа є сукупністю індуктівностей і ємкостей основного електротехнічного устаткування, тому підключення або відключення деякого елементу веде до встановлення нового режиму.

Обла́днання (устаткування) (англ. equipment, нім. ausrüstung) f) - сукупність пристроїв, механізмів, приладів, інструментів або конструкцій, що використовуються в певній сфері діяльності, або з певною метою.

Елеме́нт (лат. elementum - стихія, первинна речовина) - нерозкладний (у даній системі) компонент складних тіл, матеріальних систем, теоретичних побудов; будь-який об'єкт, пов'язаний певними відношеннями з іншими об'єктами в єдиний комплекс.

Електроте́хніка (рос. электротехника, англ. electrical engineering, нім. Elekrotechnik f) - галузь науки і техніки, пов'язана із застосуванням електричних і магнітних явищ для перетворення енергії, добування і зміни складу хімічних речовин, виробництва та обробки матеріалів; галузь, що охоплює питання отримання (виробництва), розподілу, перетворення і застосування електроенергії.

Перехід мережі від режиму до комутації до режиму після комутації супроводжується змінами струмів в елементах і напруги на них. Як правило, цей перехід має вид затухаючих коливань, в процесі яких напруга на ємкостях устаткування щодо землі або між фазами може досягати величин значно більших, ніж номінальне. Це і називається перенапруженнями. ___________

© В.Ф. Мануйлов, 2010

Подібний процес об'єктивний і не залежить від типу використовуваного вимикача. Наприклад, можна показати, що при включенні (пуску) високовольтного електродвигуна можливе виникнення перенапружень з кратністю до 3,3 відносних одиниць (в.о.) по відношенню до амплітуди найбільшої робочої напруги, що представляє небезпеку для його ізоляції.

Ампліту́да (лат. amplitudo - широта) - найбільше значення величини, яка періодично змінюється. Наприклад, амплітудою називається найбільше зміщення маятника від положення рівноваги.

Небезпе́ка - можливість виникнення обставин, за яких матерія, поле, інформація або їхнє поєднання можуть таким чином вплинути на складну систему, що призведе до погіршення або неможливості її функціонування і розвитку.

Перенапруження в цьому випадку не залежать від типу дугогасного середовища і визначаються тільки моментом включення і розкидом замикання контактів різних фаз. Виключити ці перенапруження регулюванням ходу контактів вимикача не представляється можливим. При відключенні вимикачем будь-якого типу (маломасляним, вакуумним, елегазовим, електромагнітним) практично кожного подвійного або двофазного замикання на землю в мережі 6-10 кВ з ізольованою або заземленою через дугогасний реактор нейтраллю на всі приєднання, включені на дану секцію, впливають перенапруження з кратністю до 3,4 в.о. Причиною їх є неодночасне відключення струму в пошкоджених фазах, коли на першій фазі, що відключилася, напруга відновлюється від нуля до амплітуди лінійного. При цьому в процесі коливань напруга досягає величини подвійного лінійного. Саме ці перенапруження можуть викликати багатомісні пошкодження ізоляції (і такі випадки відомі в експлуатації), коли з ладу виходять відразу декілька високовольтних електродвигунів або кабелів.

Відно́влення (рос. восстановление, англ. reduction; нім. Reduktion f) -- це процес приєднання електронів речовиною, при цьому ступінь окиснення її елементів знижується.

Ка́бель (рос. кабель, англ. cable, нім. kabel) - один чи більше ізольованих проводів (провідників), поміщених у оболонку, поверх якої залежно від умов прокладання та експлуатації може видозмінюватись захисне покриття, у яке може входити броня (див. кабель броньований)

І справа тут не в типі дугогасного середовища, використовуваного у вимикачі, а в об'єктивно існуючих явищах. Тепер розглянемо проблему перенапружень при використанні вакуумних і елегазових вимикачів з урахуванням особливостей дугогасного середовища і конструкцій цих апаратів, а також навантажень, ними комутованих.

При́стрій (англ. device, appliance, нім. Vorrichtung f, Einrichtung f) - обладнання, конструктивно завершена технічна система, що має певне функціональне призначення і за допомогою якої виконується яка-небудь робота або спрощується, полегшується певний процес.

При включеннях навантаження (трансформатора, електродвигуна, конденсаторної батареї) правильно спроектованим вимикачем (що не дає відскоків контактів) його дугогасне середовище з погляду виникнення перенапружень не грає ніякої ролі. Перенапруження в цьому випадку обумовлені особливостями мережі і комутованого приєднання як індуктивно-ємкісних схем, моментом включення за часом і розкидом в замиканні контактів різних фаз вимикача (див. вище). Основними причинами перенапружень на ізоляції окремого приєднання (і лише його, а не всій мережі) при відключенні навантаження, пов'язаними з особливостями дугогасного середовища і конструкцією вимикача, є зріз струму і ескалація напруги.

Ескала́ція (від лат. scala - сходи) - планомірне нарощування військової могутності держави, армії. Також існує сталий вираз "ескалація конфлікту".

Розглянемо ці явища по порядку.



1.1 Зріз струму

Будь-який вимикач відключає струм при проходженні його через нуль (із зрушенням за часом в різних фазах), коли підведення енергії до дуги з боку мережі зменшується. У околонульової області струму можливий швидкий розпад каналу дуги і примусовий спад струму від деякого значення (як правило, одиниці - десятки ампер) до нуля за дуже малий час (значно раніше за природний нуль струму). Це явище називається зрізом струму. Виникає воно при відключенні малих індуктивних струмів (наприклад, струмів холостого ходу трансформаторів і електродвигунів), несталих струмів включення трансформаторів, пускових струмів електродвигунів, струмів шунтуючих реакторів.





Рисунок 1 - Відносні струми зрізу вимикачів з різними дугогасними середовищами

Зріз струму характерний для вимикачів будь-якого типу, що застосовується в даний час (маломасляних, електромагнітних, повітряних, вакуумних, елегазових).

Індуктивність (англ. Inductance) - фізична величина, що характеризує здатність провідника накопичувати енергію магнітного поля, коли в ньому протікає електричний струм.

Електромагні́т (англ. electromagnet, нім. Elektromagnet m) - пристрій, що створює магнітне поле під час проходження електричного струму. Зазвичай електромагніт складається з обмотки і феромагнітного осердя, який набуває властивостей магніту при проходженні по обмотці струму.

Пові́тря - природна суміш газів, з яких складається атмосфера, тобто повітряна оболонка планети. Спочатку це слово виникло для опису повітря планети Земля, ще в ті часи, коли інші планети мало цікавили людство і тому нині воно все ще вживається саме в такому значенні.

Причиною зрізу струму у вимикачах з гасінням дуги в газовому середовищі є інтенсивне дуття і розвиток високочастотних коливань на спадаючій ділянці синусоїди струму, що відключається.

Частота́ (англ. frequency) - фізична величина, що дорівнює кількості однакових подій за одиницю часу. Вона є характеристикою будь-яких процесів, які регулярно повторюються (кількість подій за одиницю часу) або величиною, що виражає: кількість рухів, коливань, повторень за одиницю часу тощо.

Дуття викликає значне охолоджування плазми в дуговому проміжку і швидке зменшення її провідності. Високочастотні коливання, що розвиваються в контурі: ємкість на шинах - нелінійний опір дуги - індуктивність і ємкість приєднання, накладаються на струм 50 Гц і приводять до того, що сумарний струм в дуговому проміжку переходить через нуль і відбувається гасіння із зрізом.

Колива́ння- специфічні рухи або зміни стану систем різної фізичної природи, для яких спостерігається певна повторюванність в часі. Якщо це відбувається через однаковий проміжок часу - період Т, то коливання називають періодичними.

У вакуумних вимикачах причиною зрізу струму є нестійкість дуги при малих струмах, оскільки вона горить в парах металу контактів.

Несті́йкість - явище необмеженого наростання збурення в системі будь-якої природи. Протилежність стійкості.

При зрізі струму в індуктивності навантаження «закривається» енергія, яка потім звільняється на ємкість приєднання і може викликати перенапруження. Як відомо, кратність перенапружень при цьому визначається індуктивністю навантаження, ємкістю приєднання (в основному довжиною кабельної або повітряної лінії) і величиною струму зрізу. Останній параметр розрізняється для вимикачів з різними дугогасними середовищами. На мал.1. приведена діаграма відносних струмів зрізу для вимикачів різного типу.

Як видно з мал.1, вакуумні вимикачі з хром-мідними контактами мають найменший струм зрізу. Він складає 5-6 А за даними різних досліджень.

Дослі́дження, до́сліди - (широко розуміючи) пошук нових знань або систематичне розслідування з метою встановлення фактів; (вузько розуміючи) науковий метод (процес) вивчення чого-небудь.

Більшість виробників вакуумних вимикачів використовують для виготовлення контактів саме хром-мідні композиції.

Більшість - велика частина чого-небудь, або кількісне переважання прихильників якоїсь ідеї чи рішення над їхніми противниками. Вважається найпершою засадою демократичного способу прийняття спільних рішень, головною й необхідною умовою обрання кандидата на виборну посаду.

Виробни́цтво - процес створення матеріальних і суспільних благ, необхідних для існування і розвитку. Створюючи певні блага люди вступають у зв'язки і взаємодію – виробничі відносини. Тому виробництво є завжди суспільним.

Елегазові вимикачі з гасінням дуги обертанням або автодуттям мають струм зрізу практично такий же, як і вакуумні вимикачі.

Гексафтори́д сі́рки (також елегаз або шестифториста сірка, SF6) - неорганічна речовина, при нормальних умовах - важкий газ, в 5 разів важчий за повітря. Сполуку було вперше отримано і описано в 1900 році Анрі Муассаном в ході робіт з вивчення хімії фтору.

Це пов'язано з тим, що інтенсивність дугогасіння у них залежить від величини протікаючого струму. У компресійних і комбінованих елегазових вимикачів з додатковим поршнем струми зрізу вищі, ніж у вакуумних вимикачів. В принципі струм зрізу елегазових вимикачів залежить від величини струму, що відключається, конструкції вимикача і ємкості приєднання і може значно перевищувати такий для вакуумних.

Електронегативність (χ) - фундаментальна хімічна властивість атома, кількісна характеристика здатності атома в молекулі відтягувати на себе електронну густину.

Таким чином, з погляду величини струму зрізу і створюваних при цьому перенапружень елегазові вимикачі не мають ніяких переваг перед вакуумними.

Якщо наповнити гексафторидом сірки відкриту зверху посудину (оскільки газ важчий за повітря, то він не буде «виливатися» з посудини), і помістити туди легкий човник, зроблений, наприклад, з фольги, то човник буде утримуватися на поверхні і не «потоне». Цей дослід був показаний у передачі «Руйнівники міфів» як фокус з «прозорою водою» (випуск 105, 7 сезон.)

Окрім величини струму, на перенапруження при зрізі, як вже указувалося вище, впливають індуктивність навантаження (або потужність) і ємкість приєднання (довжина повітряної або кабельної лінії). При значній довжині приєднання перенапружень із-за зрізу струму у вимикачі взагалі не виникає. Наявність навіть невеликого активного навантаження на вторинній стороні силового трансформатора, що відключається, також виключає виникнення перенапружень унаслідок зрізу.

Силови́й трансформа́тор (англ. power transformer) - стаціонарний прилад, трансформатор з двома або більше обмотками, який за допомогою електромагнітної індукції перетворює систему змінної напруги та струму в іншу систему змінної напруги та струму, як правило, різних значень за тієї-ж частоти задля передавання електроенергії та її використання.

Використання таких сучасних захисних апаратів, як ОПН, взагалі знімає питання перенапружень незалежно від типу використовуваного вимикача. Слід зазначити, що в даний час в мережах експлуатуються тисячі маломасляних вимикачів із струмами зрізу значно більше, чим у вакуумних вимикачів. Тобто потенційно маломасляні вимикачі також здатні створювати перенапруження і причому вищі, ніж вакуумні.



1.2 Ескалація напруги

Розглянемо тепер другу причину перенапружень при відключеннях навантаження: ескалацію напруги. Це явище характерне тільки для вакуумних вимикачів. Проте воно виникає украй рідко, тільки при відключенні пускового струму що не встигли розвернутися або загальмованих електродвигунів (причому з 100 відключень пускових струмів тільки 5-10 можуть супроводжуватися ескалацією напруги). Фізична суть цього явища описана в. Перенапруження в цьому випадку можуть досягати 6-7-кратних. Осцилограма, що ілюструє подібний процес, приведена на мал.2.

Експериментальних даних по відключенню пускових струмів електродвигунів елегазовими вимикачами практично немає. Створюється враження, що фірмам - виробникам елегазового устаткування невідомо про перенапруження в цьому випадку, або публікація таких даних їм невигідна.



Рисунок 2 - Експериментальна осцилограма відключення пускового струму електродвигуна 6,3 кв, 736 кВт, підключеного кабелем перетином 3х95, завдовжки 70 м, вакуумним вимикачем з виникненням ескалації напруги з кратністю 4,0 в.о.

Експериме́нт (англ. experiment) - сукупність дослідів, об’єднаних однією системою їх постановки, взаємозв’язком результатів і способом їх обробки. В результаті експерименту отримують сукупність результатів, які допускають їхню сумісну обробку і зіставлення.

у першій фазі вимикача, що відключається


Виходячи з наявної інформації, можна припускати, що елегазові вимикачі не схильні до ескалації напруги. Проте їх підвищені в порівнянні з вакуумними вимикачами струми зрізу і можливість одноразових повторних запалень, ймовірно, можуть бути причиною перенапружень при відключеннях неодружених трансформаторів і пускових струмів електродвигунів (при малих довжинах кабелю).

Можливість - це дія, що може відбутися або ні (можливо, приїду, а, можливо, і ні). Можливість можна забезпечити чи покладатись на «авось» та якось буде. Альтернатива дає шанс, але не гарантує без відповідних дій забезпечення результату і адекватності та конструктиву діяльності.

Ще раз відзначимо, що розглянутий випадок відключення пускового струму - достатньо рідкісна подія, а в деяких випадках практично неможливе. Тому зіставлення елегазових і вакуумних вимикачів з погляду комутаційних перенапружень слід проводити виходячи з величини струму зрізу.

Таким чином, на підставі розгляду характерних причин виникнення перенапружень, пов'язаних з характером дугогасного середовища вимикача, можна стверджувати, що елегазові вимикачі в цьому відношенні не мають переваг в порівнянні з вакуумними.

Характер (термін «характер» - грецького походження, він означає «риса», «ознака», «відбиток»)- це сукупність відносно стійких індивідуально-своєрідних якостей особистості, що виявляються у поведінці, діяльності та ставленні до людей, колективу, до себе, речей, роботи і тощо.

Звідки ж все-таки виникло таке упередження, що тільки вакуумні вимикачі створюють перенапруги? Мабуть, витоки його слід шукати на зорі впровадження вакуумної комутаційної техніки. По-перше вакуумних вимикачах, встановлених в експлуатацію ще в СРСР на початку 80-х років, для виготовлення контактів використовувався вольфрам. Розробники вакуумних камер вважали, що застосування цього тугоплавкого металу дозволить понизити знос контактів.

Вольфра́м (англ. tungsten, нім. Wolfram n) - хімічний елемент. Символ W, ат. н. 74, ат. маса - 183,85. Сріблясто-білий метал. Найбільш характерними і стійкими є сполуки В. зі ступенем окиснення +6. В. має схильність до комплексоутворень.

Упере́дження1 - хибна думка, яка складається щодо кого-, чого-небудь наперед, без ознайомлення, та пов'язане з нею відповідне ставлення.

Програміст, також програмник[Джерело?] - фахівець, що займається програмуванням, виконує розробку програмного забезпечення (в простіших випадках - окремих програм) для програмованих пристроїв, які, як правило містять один чи більше CPU.

Застосунок, застосовна програма, прикладна програма (англ. application, application software; пол. aplikacja; рос. приложение, прикладная программа) - користувацька комп'ютерна програма, що дає змогу вирішувати конкретні прикладні задачі користувача.

Проте вимикачі з вольфрамовими контактами були здатні створювати значні зрізи струму, порядку 20-30 А. Саме ця обставина, а також відсутність засобів захисту від перенапружень в мережах 6-10 кВ у той час привело до значного збитку в результаті пробоїв ізоляції. Енергетика - галузь консервативна, і думка, що одного разу сформувалася, а особливо негативне, дуже складно змінити.



2 Процеси в дугогасних системах і в електричних мережах 6(10) - 35 кВ при комутаціях вимикачами

Дугогасні середовища (масло, елегаз, вакуум), використовувані в комутаційних апаратах, обумовлюють своєрідність процесів в дугогасних пристроях, що впливають на перенапруження.

Театральна лабораторія «ВідСутність» - зразковий художній колектив заснований в 2010 році за ініціативи Юрія Паскара в місті Рівне. Діє на базі Рівненського міського Палацу дітей та молоді.

Результат, пі́дсумок, (заст. ску́ток, вислід) - кінцевий наслідок послідовності дій. Можливі результати містять перевагу, незручність, вигоду, збитки, цінність і перемогу. Результат є етапом діяльності, коли визначено наявність переходу якості в кількість і кількості в якість.

Консервати́зм (фр. conservatisme, від лат. conservo - «охороняю», «зберігаю») - визначення ідейно-політичних, ідеологічних і культурних течій, що спираються на ідею традиції та спадкоємності в соціальному та культурному житті.

Комутаці́йний апара́т - електричний апарат, який призначено для комутації електричного кола та проведення струму шляхом подачі або зняття напруги з електроустановки або її частини.

Розряд на контактах вимикача супроводжується концентрованим виділенням тепловій енергії: на катоді виділяється енергія, що підводиться зарядженими іонами, і частина енергії електронів, що емітуються катодом унаслідок випромінювання з прикатодній області. До анода в основному підводиться енергія електронів. Певну роль в тепловому балансі грають високотемпературні потоки плазми. Частина енергії поступає на електроди із стовбура дуги за рахунок теплопровідності, конвекції і випромінювання.

Вплив дугогасного середовища на характер протікання розряду вельми істотно, оскільки зумовлює такі основні характеристики дуги, як її діаметр, температуру, час горіння, викид потоків плазми і ін.

Конвекція - явище перенесення тепла в рідинах, газах або сипких середовищах потоками самої речовини (неважливо, вимушено або мимоволі).

Теплопрові́дність - здатність речовини переносити теплову енергію, а також кількісна оцінка цієї здатності: фізична величина, що характеризує інтенсивність теплообміну в речовині, яка дорівнює відношенню густини теплового потоку до градієнта температури.

Температу́ра (від лат. temperatura - належне змішування, нормальний стан) - фізична величина, яка описує стан термодинамічної системи.



  1   2   3



  • Більшість виробників
  • 2 Процеси в дугогасних системах і в електричних мережах 6(10) - 35 кВ при комутаціях вимикачами