Д.т.н. Исмагилов Флюр Рашитович, аспирант Тихончук Дмитрий Александрович

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, Россия

Механический разнос выключателей для коммутации батареи статических конденсаторов 110 кВ

Введение.

Наиболее инновационным подходом при коммутации нагрузки 110-500 кВ является управляемая коммутация. Данный подход представляет собой способ устранения вредных последствий от переходных процессов посредством того, что команды включения или отключения выключателя задерживаются таким образом, чтобы замыкание или размыкание контактов происходили в оптимальный момент времени по отношению к фазному углу тока или напряжения.

Сегодня при пополюсном управлении выключателем (устанавливается три привода) типовой синхронизатор позволяет управлять отдельно каждым полюсом, чтобы обеспечить замыкание каждого полюса в надлежащий момент времени. При трехполюсном управлении одним приводом полюса регулируют (разносят) механически.

Подобное решение является наиболее экономически целесообразным, но требует разработки математической модели и наглядного визуального представления. На практике же встречается лишь экспериментальная подстройка разновременности без учета множества различных факторов [1, 8].

При коммутации БСК возникают броски тока, переходные процессы и как следствие серьезные перенапряжения, которые являются опасными для оборудования, так как возможен пробой межфазной и фазной изоляции оборудования.

Основным коммутирующим аппаратом для батареи статических конденсаторов 110 кВ является высоковольтный выключатель 110 кВ, способный включать и отключать емкостную нагрузку. На сегодняшний день остаются неизученными процессы, происходящие во время коммутации БСК высокого напряжения 110 кВ. Отсутствует общепринятая математическая модель и визуальное представление отключения емкостной нагрузки высокого напряжения.

Использование математической модели и визуального представления позволяет получить необходимые параметры управляемой коммутации высоковольтных выключателей с трехполюсным управлением одним приводом. Применение управляемой коммутации приводит к существенному уменьшению воздействия переходных процессов при коммутации батареи статических конденсаторов 110 кВ (БСК), увеличению срока службы электротехнического оборудования подстанции, уменьшению эксплуатационных затрат на ремонт выключателей и БСК 110 кВ.

1. Задачи для управляемой коммутации и параметры механического разноса

1.1 Управляемое включение. В этом режиме выполняется только операция включения в момент времени, соответствующий заданной фазе напряжения на системе шин.

1.2 Управляемое включение/отключение с учетом напряжения присоединения. Данный режим предназначен для случаев, когда на отходящем присоединении (ненагруженная протяженная линия, БСК 110 кВ) после отключения может продолжительное время сохраняться электрический заряд. Поэтому при последующей операции включения для минимизации переходных процессов необходимо помнить величину и знак напряжения на коммутируемом присоединении, при этом как с учетом саморазряда, так и без [2].

1.3 Управляемое отключение. Операция управляемого отключения обеспечивает разъединение дугогасящих контактов полюса высоковольтного выключателя 110 кВ в момент времени, соответствующий заданной фазе напряжения – фазе коммутации. Как правило, фазы коммутации для каждого полюса совпадают.

Для всех выше приведенных режимов трехфазной системы напряжений частоты 50 и 60 Гц, можно провести следующие расчеты (1), (2).

(1)

где f₅₀- 50 Гц, f₆₀- 60 Гц, а 60 электрических градусов- промежуток между ближайшими переходами через ноль синусоидального напряжения.

Данное утверждение справедливо только для системы с глухозаземленной нейтралью. В случае системы с изолированной нейтрали, необходимо одновременно произвести коммутацию двух фаз и после прекращения протекания тока, произвести коммутацию третей фазы при переходе напряжения через ноль, что соответствует задержке в 90 электрических градусов, следовательно:

(2)

Таким образом, для конденсаторной батареи 110 кВ с заземленной нейтралью три полюса должны коммутироваться с разностью по времени в 1/6 периода (3,33 мс при 50 Гц, или 2,8 мс при 60 Гц), первый полюс коммутируется при нулевом напряжении [7]. Для конденсаторной батареи 110 кВ с незаземленной нейтралью два полюса должны коммутироваться одновременно при нулевом значении напряжения, а последний — на 1/4 периода позже (5 мс при 50 Гц или 4,2 мс при 60 Гц) рисунок 1.

Рисунок 1- Требуемое время разноса момента коммутации фаз.

Необходимо использовать синхронизаторы для управляемой коммутации и выключатели, имеющие стабильное время срабатывания, которое изменяется лишь в незначительной степени в зависимости от температуры окружающей среды и управляющего напряжения.

Механическое задание разновременности, или в дословном переводе с английского языка (mechanical staggering) механический разнос, является индивидуальным процессом для каждого коммутационного аппарата, поэтому разработка универсальной методики механического разноса на основе данных математической модели и визуального представления является главной задачей дальнейших исследований.

2 Механически разнос

Проводя общую классификацию способов механического разноса выключателей 110 кВ, можно выделить три основных подхода:

- Дополнительная установка механического устройства временной задержки, представляющего собой два соосных цилиндра. Данное устройство устанавливается, как промежуточный механизм между рычагом и шлицевым валом, обеспечивая требуемую задержку по времени, при вращении рычага. Данный метод является дорогостоящим, а также снижающим надежность выключателя в целом, за счет внедрения дополнительного промежуточного узла, который с течением времени не сможет обеспечивать требуемую точность коммутаций.

- Изменение соотношения длин тяг в приводном механизме выключателя При кажущейся простоте и очевидности решения, оно при значительных изменениях невозможно. Все наружные рычаги полюсов двигаются синхронно по дугам равных окружностей строго фиксированного радиуса [3, 4]. При этом соединительные тяги также движутся по тем же окружностям, при изменении длины тяг, с целью изменения угла между наружным и внутренним рычагом произойдет нарушение параллельности движения наружных рычагов, что приведет к полной неработоспособности и непредсказуемости всей приводной системы.

- Наиболее подходящим и просто реализуемым методом является изменение угла между внутренним и наружным рычагом высоковольтного выключателя. Изменение начального положения шлицевого вала, обеспечивая тем самым новое начальное значение угла поворота, а, следовательно, и механический разнос по времени срабатывания.

При данном подходе один полюс (предположительно центральный) выбирается в качестве базы и не подвергается регулированию. Для двух оставшихся полюсов производится операция регулировки, сводящаяся к изменению взаимного угла между рычагами за счет изменения начального положения внутреннего рычага по отношению к неизменному наружному рычагу [3, 4]. Изменяя нормальный угол в 37 градусов в сторону увеличения или уменьшения, в зависимости от запаздывания или опережения относительного базового полюса, достигается требуемый механический разнос по времени, к примеру, как было рассчитано выше, для системы с глухозаземленной нейтралью частотой 50 Гц на 3,33 мс.

3. Кинематическая схема для механического разноса

Для математического расчета механического разноса выключателя 110 кВ была разработана типовая кинематическая схема, представленная на рисунке 2, в отключенном положении выключателя.

При операции включения рычажная пара bca (рисунок 2) проворачивается по часовой стрелке, и тем самым приводит к сжатию пружины отключения.

Взаимный угол между внутренним и наружным рычагами в исходном состоянии всех полюсов составляет 90 градусов. При расчетах и моделировании механического разноса была поставлена задача в получении разницы во времени коммутации контактов 3,33 мс, как на включение, так и на отключение.

4. Расчет механического разноса в зависимости от заданной разновременности.

При расчете первоначально была поставлена задача вычисления требуемого взаимного угла между наружным и внутренним рычагами в зависимости от требуемого временного разноса, одним из важных допущений, не влияющие на результат поставленной задачи, является равномерное движение угольника [4]. Таким образом, согласно рисунку 2 первый, второй и третий полюс отсчитывается слева на право.

Вычисляем среднюю угловую скорость угольника ω:

(3)

где Rad= π/180;

dt- продолжительность включения, с;

dφ- угловое перемещение угольника, по умолчанию 73 градуса.

Рассчитываем требуемое значение взаимного угла между рычагами второго полюса β₁:

(4)

где β- исходный взаимный угол между рычагами первого полюса, равный 90 градусов;

dt₁- время запаздывания второго полюса относительно первого, с.

Рассчитываем требуемое значение взаимного угла между рычагами третьего полюса β₂:

(5)

где dt₂- время запаздывания третьего полюса относительно второго, с.

Для требуемого времени разновременности между полюсами в 3,33 мс при включении продолжительностью 50 мс и повороте угольника на 73 градуса взаимные углы составят: для второго полюса 85.138º, для третьего 80.276º.

Для требуемого времени разновременности между полюсами в 3,33 мс при отключении продолжительностью 20 мс и повороте угольника на 73 градуса взаимные углы составят: для второго полюса 77.846º, для третьего 65.691º.

Таким образом, одновременная реализация идеального режима управляемого включения и отключения при механическом разносе является невозможным, кроме того данное утверждение является справедливым и для всех приводных механизмов, чье время включения и отключения является разным. Кроме того реализация коммутации с учетом остаточного напряжения присоединения является также неосуществимой по причине изменчивости требуемой разновременности.

Реализация полученных значений взаимного угла с точностью до миллисекунд, также является практически неосуществимой из-за отсутствия возможности точной регулировки.

5. Расчет механического разноса в зависимости от взаимного угла.

При вводе взаимного угла для каждого из трех полюсов, к примеру, 85º, 90 º, 95 º, необходимо в первую очередь для простоты расчетов определить последовательность срабатывания полюсов. Исходя из расчетов приведенных выше, можно сделать вывод, что первым будет срабатывать полюс с наибольшим значением, а последним с наименьшим углом.

Ниже приведены расчеты, являющиеся основой программно-методического продукта, который за счет ввода в него данных, предоставляет требуемые параметры механического разноса.

Первоначально необходимо рассчитать значение угловой скорости рычажной пары при включении- ω_V и при отключении- ω_O по формуле (3).

Вычисляем параметры по последнему сработавшему полюсу, то есть по тому, чей взаимный угол наименьший, введем обозначение наименьшего взаимного угла β_C .

Рассчитаем угловое перемещение внутреннего рычага над горизонталью точки С (рисунок 2):

(6)

где φ_N начальная угловая координата, по умолчанию 53º.

Определим время движение данного полюса:

(7)

Переведем угловое перемещение внутреннего рычага над горизонталью точки С в радианы:

(8)

Рассчитаем вертикальное перемещение конца внутреннего рычага над горизонталью точки С:

(9)

Вычислим горизонтальное перемещение конца внутреннего рычага от вертикали точки c,

(10)

Произведем расчет значения синуса угла ψ между шатуном и вертикалью движения штока:

(11)

где Exc- смещение линии движения штока о-х,

L_in- длина внутреннего рычага b-c,

Link- длина шатуна штока b-b1.

Далее через тригонометрические функции вычислим значения угла ψ и его косинуса:

(12)

Таким образом, получается функция значения ординаты нижнего конца штока:

(13)

Далее для вычисления значения скорости и ускорения конца штока возьмем первую и вторую производную соответственно:

Для скорости:

(14)

где ψʹ производная ψ:

(15)

Для ускорения:

(16)

где ψʹʹ вторая производная ψ:

(17)

Таким образом, проделанные расчеты позволяют получить значения времени, скорости, ускорения, перемещения в заданный момент времени и угла поворота угольника для каждого полюса, что в свою очередь позволяет оценить разновременность и другие важные параметры кинематики высоковольтного выключателя. Кинематические расчеты процесса отключения с математической точки зрения (формулы 6-17) не отличаются от процесса включения.

Произведя необходимые расчеты, можно однозначно говорить о возможности механического разноса высоковольтного выключателя 110 кВ, при этом необходимо проверить несколько ограничений:

А.) Разновременность замыкания полюсов по времени в момент электрического контакта каждого из них. Для полученных результатов, моментом включения является положение 0,045 м или 80 см от начала движения при включении и 40 см при отключении, а разновременность составит 3,42 мс между всеми полюсами, что является удовлетворительным результатом.

Б.) Вжим контактов при операциях коммутации. Вследствие некоторых конструктивных особенностей выключателя 110 кВ величина хода в контактах может быть ограничена, так для рассмотренного случая нормальным является вжим в 30-40 мм. По полученным расчетам вжим контактов первого, второго и третьего полюса составляет 31 мм, 39 мм и 44 мм соответственно, следовательно, по третьему полюсу значение является недопустимым.

В.) Допустимые крайние положения контактной системы, определяемые конструктивными особенностями полюса высоковольтного выключателя. Существуют ограничения на возможное перемещение контактов, так для данного примера можно говорить об отметке в -0,05 м и 0,105 м, как следует из расчетов, движение происходит в указанных диапазонах, что является удовлетворительным

Г.) Максимальные значения скоростей и ускорения при коммутациях. Для рассматриваемого примера допустимой является скорость в 5,5 и 3 м/с при отключении и включении соответственно. Согласно расчетам при выполнении механического разноса полученные значения составляют допустимые 4,8 и 2,9 м/с.

Проанализировав данные, полученные с помощью предложенного алгоритма и на основе допустимых характеристик высоковольтного выключателя 110 кВ можно рассчитать необходимые значения механического разноса, которые в представленном случае составят 86º, 90 º, 94 º взаимного угла трех полюсов.

Выводы

1. При всем многообразии выключателей и продолжительном времени применения управляемой коммутации отсутствуют научные методики по механическому разносу высоковольтных выключателей и программы испытаний в эксплуатации подобных модификаций [1].

2. Все это приводит к необходимости создания программно-методического продукта, который за счет ввода в него данных, предоставит требуемые параметры и методику механического разноса.

3. При всей простоте идеи механического разноса, данный метод не обеспечивает одновременного выполнения режимов управляемого включения и отключения, а лишь только один из выбранных режимов, это обусловлено различием временных и скоростных характеристик при включении и отключении, к примеру, включение 50 мс, а отключение 30 мс.

4. Таким образом, в случае механического разноса следует говорить о необходимости выбора режима управляемого включения в цепи БСК-110 для элегазовых выключателей, а для масляных и воздушных выключателей режима управляемого отключения, так как вероятность повторных пробоев в элегазовых выключателях сведена к минимуму, а для ограничения пусковых токов решение синхронной коммутации подходит идеально. При наличии в схеме токоограничивающих реакторов, выполнять управляемую коммутацию следует в режиме отключения [6, 7, 8].

5. Проблемы, которые стоят перед реализацией механического разноса на основе изменения соотношения взаимного угла внутреннего и внешнего рычага, заключаются в изготовлении нового внешнего рычага для каждого полюса в зависимости от выбранного режима. Шаг изменения фиксированного значения взаимного угла в большинстве выключателей составляет 30 градусов, тогда как, согласно расчетам, требуется шаг до одного градуса в диапазоне от 5-10 градусов.

6. При выполнении механического разноса необходимо учитывать определенные в данной статье важные параметры: разновременность и вжим контактов, допустимые перемещения, допустимые скорости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 52565-2006 "Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 августа 2006 г. N 170-ст).

2. Комплексная система диагностики выключателей с системой синхронного управления выключателем. Руководство по эксплуатации. 0БП.140.240 РЭ.

3. Привод пружинный типа ППрК. Руководство по эксплуатации 0БП.466.219 РЭ.

4. Выключатель элегазовый баковый типа ВЭБ-110. Руководство по эксплуатации 2БП.029.007 РЭ.

5. Прибор контроля высоковольтных выключателей ПКВ/М7. Руководство по эксплуатации СКБ 126.00.00.000 РЭ.

6. Выключатель элегазовый типа LTB145D1/B. Руководство по эксплуатации BLK 222 РЭ 3414-007Ltb145-40108210-2007

7. Document ID 1HSM 9543 22-01en, Controlled Switching. Buyerґs & Application Guide, Edition 3.1, 2010-04

8. Сontrolled switching circuit breaker considerations Victor F. Hermosillo ALSTOM T&D Seminar. Workshop on Controlled Switching CIGRE WG A3.07 IEEE/PES Switchgear Committee Meeting St. Pete Beach, Florida May 2003