Установки для определения коммутационной и пропускной способности электрических аппаратов

Разработка и конструирование высоковольтных выключателей требует многочисленных экспериментов на опытных макетах и образцах, так как важнейшие узлы этих аппаратов — дугогасительные устройства — не могут быть достоверно рассчитаны. Часто возникает необходимость в учете противоречивых требований, предъявляемых к аппарату с точки зрения его коммутационной и пропускной способности, механических характеристик, уровня изоляции и т. д.

Для проверки характеристик высоковольтных выключателей проводят их многочисленные испытания, основными из которых являются исследования коммутационной способности. Эти испытания выполняются для проверки работы выключателей при включении и отключении предельных токов короткого замыкания.

Наибольшую достоверность результатов дают сетевые испытания выключателей. При испытаниях в реальных сетях нс требуются дорогостоящие установки, однако им присущ и ряд серьезных недостатков.

При испытаниях на отключение предельной мощности выключатель должен отключить ток короткого замыкания порядка десятков и сотен килоампер при данном номинальном напряжении. В связи с этим для испытаний, проводимых в сети, необходимо выбирать соответствующую схему, при которой обеспечивается испытательная мощность. Часто для проведения испытаний в сетях нужно частично отключать потребителей энергосистемы. Как показывает опыт, постановка таких испытаний связана с большими трудностями, поскольку для технологического процесса ряда промышленных предприятий требуется бесперебойное энергоснабжение. Кроме того, сильные толчки нагрузки при испытаниях могут нарушить нормальную работу энергосистемы.

Рис. 4.42. Схема для испытания высоковольтных выключателей с применением ударного генератора: а — принципиальная схема; б — графики тока и напряжений Проводить испытание выключателей в полевых условиях не всегда возможно, так как число испытаний при исследовании новых конструкций дугогасящих устройств весьма велико, а режим работы энергосистемы зачастую не позволяет проводить опыты. Кроме того, при разработке выключателей для будущих энергосистем их испытания в существующих сетях могут оказаться просто невозможными изза недостаточной мощности или номинального напряжения действующих сетей. Поэтому в сетях возможны лишь эпизодические, контрольные испытания выключателей. Для проведения исследования отключающей способности вновь разрабатываемых выключателей, рассчитанных на большие токи отключения, чем токи короткого замыкания в существующих системах, требуются специальные лабораторные установки, которые должны обеспечивать необходимые по величине и форме кривые отключаемого тока и восстанавливающегося напряжения.

Наиболее простая принципиальная схема исследования отключающей способности высоковольтных выключателей с применением ударного генератора приведена на рис. 4.42, где е — ЭДС генератора, a L_r — его индуктивность. Ротор генератора предварительно раскручивается в течение длительного времени асинхронным двигателем относительно небольшой мощности до номинальных оборотов. При этом в роторе запасается значительная кинетическая энергия. После замыкания контактов вспомогательного выключателя Q1 в момент to (рис. 4.42, б) через замкнутые контакты испытуемого выключателя Q2 начинает протекать ток короткого замыкания i. Величина этого тока при заданной ЭДС генератора е определяется индуктивностью генератора L,. и внешней индуктивностью L. В момент t размыкаются контакты испытуемого выключателя Q2, и на его контактах появляется напряжение дуги м_д. При переходе тока через нулевое значение (момент ь), когда контакты испытуемого выключателя разошлись на достаточное расстояние, дуга гасится, и происходит восстановление напряжения. Скорость восстановления напряжения определяется индуктивностями L_r, L и специально включенной цепочкой, состоящей из резистора R и емкости С, равной по величине емкости ошиновки, подсоединенной к выключателю. Ток при проведении испытаний записываются на осциллографе с помощью шунта тока с сопротивлением /?_ш, а напряжение — при помощи делителя напряжения (на рис. 4.42 не показан).

Ударные генераторы отличаются от обычных синхронных генераторов тем, что нормальными режимами их работы являются режимы короткого замыкания и холостого хода. В режиме короткого замыкания ударный генератор должен иметь возможно большую мощностью при заданных габаритах, высокую электродинамическую и термическую устойчивость обмоток. В режиме восстановления напряжения на испытуемом выключателе генератор подвергается частым воздействиям значительных коммутационных перенапряжений, что определяет повышенные требования к изоляции его обмоток. Для увеличения мощности испытательной установки используется параллельное включение нескольких генераторов, что, однако, существенно усложняет установку и увеличивает се стоимость.

Необходимо отмстить высокую трудоемкость и стоимость проведения испытаний выключателей на установках с ударными генераторами. Кроме того, эти испытания связаны с некоторой вероятностью повреждения дорогостоящего генератора.

Рис. 4.43. Схема для испытания высоковольтных выключателей с помощью колебательного контура.

В 1937 г. профессор Ленинградского политехнического института А. А. Горев предложил использовать схему с колебательным разрядом емкости (называемую колебательным контуром Горева) для испытания выключателей на отключающую способность. Разряжая мощную батарею конденсаторов С1 — Сп через реактор L на испытуемый выключатель Q (см. рис. 4.43), при надлежащем подборе параметров колебательного контура можно получить заданную частоту колебательного разряда и необходимую амплитуду тока. Форма восстанавливающегося напряжения регулируется цепочкой /?() — СО. Резисторы /?1 — R/; с сопротивлением порядка одного Ома служат для защиты от взрыва конденсаторной батареи в случае пробоя одного из ее конденсаторов. Изготовляются они из стальной проволоки путем намотки на фарфоровый цилиндр диаметром около 200 мм и длиной 400−500 мм в заготовленные пазы с шагом 3−5 мм.

Применение этой схемы позволяет создать мощную испытательную установку при сравнительно ограниченных капиталовложениях. Необходимо отметить, что и эксплуатационные расходы в этом случае существенно ниже, чем в схемах с ударными генераторами. Однако для получения предельных токов отключения емкость конденсаторов становится чрезмерно большой, а так как напряжение на дуге испытуемого выключателя приводит к усилению затухания тока колебательного контура, то, несмотря на внешнюю простоту, испытания коммутационной способности выключателей на колебательных контурах становятся затруднительными. Поэтому в последнее время нашли широкое применение методы синтетических исследований коммутационной способности выключателей высокого напряжения.

В процессе горения мощной электрической дуги напряжение между контактами выключателя (/_д, как правило, составляет лишь несколько процентов от номинального напряжения. После ее погасания между контактами восстанавливается высокое напряжение, а ток в цепи становится равным нулю (рис. 4.42, б). Это дает возможность применить для испытания два определенным образом синхронизированных между собой источника относительно небольших мощностей: источник основного тока отключения с напряжением порядка 6−20 кВ и источник высокого напряжения с током в три-шесть раз меньшим, чем ток отключения.

При таких синтетических испытаниях (рис. 4.44) источником ЭДС е_г цепи отключаемого тока является ударный генератор или сеть энергосистемы, которые для увеличения тока отключения подключаются через понижающие силовые трансформаторы. Индуктивность L1 представляет собой эквивалентную индуктивность генератора (или энергосистемы) и силовых трансформаторов. Источником цепи высокого напряжения является колебательный контур Горева L2 — СО, настроенный на повышенную частоту порядка/₂ = 150−300 Гц.

Рис. 4.44. Синтетическая схема для испытания выключателей на коммутационную способность.

Выбор параметров синтетической схемы на примере испытания элегазового выключателя на напряжения 110 кВ с током отключения 40 кА осуществляется следующим образом. Сначала определяется полная индуктивность контура испытательной схемы:

где U_u6 — наибольшее рабочее напряжения; / — ток отключения, задаваемый нормативными документами на выключатель.

Далее вычисляется индуктивность контура тока. Если учесть, что на многих испытательных стендах Ut = 6 кВ, то.

Индуктивность контура напряжения а зарядное напряжение конденсаторной батареи СО.

Скорость нарастания напряжения сразу после погашения дуги определяется сопротивлением резистора, шунтирующим индуктивность контура испытательной схемы. Скорость нарастания напряжения согласно нормативным документам для этого выключателя clu/clt = 2 кВ/мкс. Тогда.

Если распределить это сопротивление по контурам, чтобы получить одинаковую скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, то получим.

Форму восстанавливающегося напряжения определяет емкость, включенная последовательно с сопротивлением R. Для того чтобы получить превышение максимального значения восстанавливающегося напряжения над максимальным значением наибольшего рабочего, эта емкость может быть вычислена по следующей формуле:

Если распределить пропорционально индуктивностям по контурам, то получим.

На рис. 4.45 представлена расчетная схема для определения графиков токов и восстанавливающегося напряжения средствами Micro-Cap 9, а на рис. 4.46 — кривые токов /_от и восстанавливающегося напряжения U_BOCC1.

Рис. 4.45. Схема для синтетических испытаний высоковольтных выключателей.

На рис. 4.46 показан последний полупериод тока отключения /_от = 39,27 к А, протекающего по контуру EI-LI-F2-F3 через размыкающиеся контакты испытуемого выключателя F3. В момент времени 6,592 мс включается имитатор шарового разрядника F1, и в контуре напряжения начинает протекать ток /_кн. В момент времени 8,584 мс, когда токи /_от и /_кн равны, ток в выключателя F2 становится равным нулю, и происходит гашение дуги, поскольку его контакты уже находятся на достаточном расстоянии (при испытании двухразрывного выключателя на фазу можно использовать второй разрыв).

Рис. 4.46. Схема для синтетических испытаний высоковольтных выключателей.

После этого ток начинает протекать по контуру E-L-F-L2- C2-F3, в котором напряжение U и индуктивность L такие как в реальной сети:

где U_T — напряжение источника тока, На — зарядное напряжение конденсаторов батареи С2;

В момент времени 10,06 мс испытуемый выключатель F3 гасит дугу, и на его контактах восстанавливается напряжение U_tt0CCr.

Если выключатель с гашением дуги не справляется, то восстановления напряжения не происходит, и продолжается протекание тока повышенной частоты, что исключает взрыв испытательного выключателя.

Одним из основных видов испытаний ОПН являются рабочие испытания, в ходе которых он подвергается комплексу воздействий токов и напряжений различной формы, в наибольшей степени воспроизводящих в лаборатории реальные воздействия в условиях эксплуатации.

Как показывает опыт эксплуатации, длительный ток, протекающий через ОПН, не приводит к каким-либо заметным изменениям его защитных характеристик. Однако остается открытым вопрос о том, не изменяются ли эти характеристики после протекания через варисторы большого импульсного тока грозовых перенапряжений. При этом можно предположить, что такие изменения могут появиться при приложении к ОПН рабочего напряжения промышленной частоты как сразу после протекания через него импульсного тока, так и спустя некоторое время (секунды или даже минуты). В этих случаях характеристики ОПН перестают быть стабильными, что может привести при дальнейшей эксплуатации к его повреждению.

Во всех случаях рабочих испытаний ОГ1Н испытательные установки имеют много общего. Они должны предусматривать подачу на испытуемый образец в определенной последовательности напряжения промышленной и определенной комоинации импульсных воздействий, имитирующих прямой удар молнии (импульсы большого тока), грозовые воздействия (импульсы нормированного тока 8/20 мкс) или воздействия коммутационных перенапряжений (прямоугольные импульсы заданного тока длительностью 2000;3200 мкс).

Рис. 4.47. К испытанию ОПН: а — принципиальная схема установки; б — импульс тока «8/20».

Импульс нормированного тока «8/20» представляет собой униполярный импульс тока с условной длительностью фронта 7ф = 8 ± 1 мкс и длительностью импульса.

Т_н = 20 ± 2 мкс. Условная длительность фронта представляет собой время, превышающее в 1,25 раза время нарастания тока от 10 до 90% от максимального значения импульса тока. Условным началом импульса является точка пересечения оси времени и прямой, проведенной через точки, когда значение импульса равно 10 и 90% (рис. 4.47, б). Интервал времени между условным началом импульса и моментом на спаде, когда ток уменьшается до половины от максимального значения, принимается за длительность импульса.

Расчет кривой импульсного тока может быть произведен с помощью пакета Micro Cap V. При этом может использоваться только часть вольт-амперной характеристики, т. е. только те ее точки, которые находятся в пределах рассчитываемых токов. Для варистора, вольт-амперная характеристика которого представлена в табл. 4.3, импульс тока «8/20» может быть получен на установке, схема которой, показана на рис. 4.47, а.

Таблица 4.3.

Расчетная вольт-амперная характеристика варистора

При этом, как показывает анализ, параметры схемы должны иметь следующие значения: С = 5 мкФ; L = 16 мкГн; R = 2 Ом. Для этих параметров длительность фронта импульса 7ф = 7,8 мкс и длительность импульса Т_п = 22 мкс (см. рис. 4.47, б). При зарядном напряжении батареи U_c =11 кВ максимальное значение импульса тока составляет 2 кА. Для получения других значений тока следует изменить величину зарядного напряжения.

Одним из видов типовых испытаний нелинейных ограничителей перенапряжений являются испытания прямоугольными импульсами тока. Такие испытания входят также в качестве одного из этапов в рабочие испытания ОПН грозовыми импульсами.

По рекомендациям МЭК под прямоугольной импульсной волной понимается волна, которая быстро возрастает до максимальной величины, остается практически постоянной в течение установленного времени, а затем быстро падает до нуля.

Параметрами, определяющими прямоугольную импульсную волну, являются полярность, максимальное значение, условная длительность максимальной величины и условная полная длительность. За условную длительность максимальной величины прямоугольной волны Т (рис. 4.48, б) принимается время, в течение которого мгновенное значение волны больше 90% от максимального значения. Полная условная длительность волны Т_п — это время в течение которого мгновенное значение волны превышает 10% максимального значения. Если есть незначительные колебания на фронте волны, то должна быть вычерчена средняя кривая для определения момента достижения 'значения, равного 10 %.

Рис. 4.48. ГИТ прямоугольных импульсов: а — принципиальная схема; б — форма импульса.

При испытаниях в коммутационном режиме ограничителей перенапряжений с номинальным разрядным током 10 и 20 кА генератор импульсов представляет собой модель линии электропередачи, причем нормируется волновое сопротивление линии, зарядное напряжение генератора и условная длительность амплитуды импульса. В процессе испытаний ограничителей, рассчитанных на меньшую пропускную способность, нормируются не характеристики моделируемой линии электропередачи, а параметры прямоугольного импульса тока, подаваемого на образцы. Эти импульсы должны удовлетворять следующим требованиям:

• — условная длительность максимального значения должна составлять 100−120 % от нормированного значения;
• — условная полная длительность не должна превышать 150% от условной длительности максимального значения;
• 192
• — колебания или первоначальный бросок не должны превышать 10% от максимального значения тока; если имеются колебания, то для определения максимального значения тока должна быть проведена средняя кривая;
• — максимальное значение тока должно составлять 90−110% нормируемого значения.

Прямоугольный импульс тока с нормированной условной длительностью Т = 2 мс может быть получен в схеме (рис. 4.48, а) при числе ячеек п = 7. Для варистора с вольт-амперной характеристикой, представленной в табл. 4.4, параметры схемы должны иметь следующие значения: L = 2,2 мГн; С = 15 мкФ; L1 = 4 мГн и R = 12 Ом.

Таблица 4.4.

Расчетная волы-амперная характеристика варистора.

Для получения импульса тока с максимальным значением 400 А зарядное напряжение конденсаторов цепочки должно быть 18,5 кВ. Как видно из рис. 4.48, б, условная длительность импульса составляет Т = 2,2 мс, а полная длительность — Т = 3,1 мс, что укладывается в допустимые требованиями пределы. Резистор обеспечивает спад тока до нуля. При большем его значении импульс тока не спадает до нуля, а при меньшем после окончания импульса возникает обратный импульс, имеющий значительное максимальное значение. Кроме этого, резистор R уменьшает длительность фронта импульса и одновременно удлиняет его хвост, что вызывает резкое увеличение полной длительности импульса.

Необходимые параметры импульса тока через испытуемый образец определяются числом звеньев цепной схемы и величиной ее отдельных элементов. Как показывают расчеты, условные длительность импульса Т и полная длительность Т" увеличиваются с ростом индуктивности звена L или его емкости С, а также при увеличении числа звеньев. Изменение L1 мало влияет на условную и полную длительность импульса, однако при малых значениях L1 наблюдаются значительные колебания тока на фронте и максимальном значении импульса, превышающие допустимые 10% от максимального значения. Параметры импульса, удовлетворяющие нормам, обычно могут быть получены лишь при LI > L (рис. 4.48, а). Однако при увеличении выходной индуктивности имеют место большое сглаживание фронта импульса, главным образом на уровне 0,9−1,0 максимального значения, и заметный спад тока в пределах заданных величины тока и длительности импульса. Этот спад может быть снижен при уменьшении емкости выходного звена, а также при шунтировании двух ближайших к ОПН индуктивностей резисторами, сопротивления которых близки к характеристическому сопротивлению цепной схемы.

Испытания оксидно-цинковых варисторов ОПН импульсами тока 8/20 мкс и прямоугольными импульсами тока позволяют оценить их пропускную способность. Однако полную информацию о защитных характеристиках и пропускной способности ОПН могут дать только их рабочие испытания. В соответствии с международными нормами предусмотрены два вида рабочих испытаний металлооксидных разрядников без искровых промежутков (ОПН):

• — рабочие испытания грозовыми импульсами;
• — рабочие испытания коммутационными импульсами.

При рабочих испытаниях ОПН грозовыми импульсами образцы подвергаются воздействию двух импульсов большого тока (от 10 до 100 кА в зависимости от класса ограничителя) 4/10 мкс. Между импульсами производится нагрев испытуемого образца до температуры 60 ± 3 °C. Не позже, чем через 100 мс после последнего импульса большого тока, к образцу должно быть приложено напряжение промышленной частоты, равное наибольшему рабочему (/"6, которое через 10 с должно быть уменьшено до нормированного напряжения.

U«орм* Последнее напряжение выдерживается на образце в течение 30 мин для подтверждения термической стабильности или термической неустойчивости ОПН. Для контроля такой стабильности должен непрерывно регистрироваться один из трех следующих параметров образца:

• — температура варисторов;
• — активная составляющая тока;
• — мощность потерь в варисторах.

Рис. 4.49. Принципиальная схема установки для рабочих испытаний ОПН

Схема испытательной установки при проведении рабочих испытаний ОПН грозовыми импульсами по методике МЭК приведена на рис. 4.49. Установка содержит генератор импульсных токов и источник напряжения промышленной частоты. Генератор состоит из батареи конденсаторов С, демпферного резистора /?, реактора L и искрового разрядника F. Напряжение промышленной частоты подастся на испытуемый образец Roз через трансформатор Т от ударного генератора или мощной сети питания, которые подключаются к точкам а — б (рис. 4.49). Для защиты трансформатора от импульсных воздействий служат реактор L1 и конденсатор С1, а также ограничитель перенапряжений /?oi. Ступенчатое изменение напряжения промышленной частоты на испытуемом образце обеспечивается с помощью выключателя <22, который в нужный момент шунтирует нелинейный резистор Ro2- Для измерения токов в соответствующих цепях установлены малоомные резисторы — шунты R_ml, /?,"2 и Выключатель Q1 обеспечивает подачу напряжения питания на силовой трансформатор. Выключатель Q3 шунтирует R_ul на время протекания импульсного тока, чтобы исключить подачу повышенного напряжения на регистрирующий прибор. Работа коммутирующих аппаратов обеспечивается от специального автоматического прибора управления.

Аналогичным образом работает и схема испытательной установки для рабочих испытаний ОПН коммутационными импульсами по методике МЭК, только вместо ГИТ к точкам в — г (рис. 4.49) подключается цепная схема (см. рис. 4.48, а), которая формирует прямоугольный импульс тока.