Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №4 (76) Июль-Август 2017 / Статьи и обзоры оборудования

Эффективность работы генераторного выключателя, оснащённого вакуумными камерами

Вакуумные выключатели применяются во всем мире в распределительных цепях согласно электрическим и механическим требованиям стандартов IEC (Международной электротехнической комиссии — МЭК) и/или ANSI (Американского национального института стандартов) для применения в цепях низкого и среднего напряжения.

Введение

В последние годы развитие коммутационных электротехнических устройств направлено на создание безопасного оборудования, позволяющего отключать токи короткого замыкания на всех уровнях напряжения.

В первую очередь исследования были ориентированы на прерывания токов короткого замыкания в сетях низкого и среднего напряжения. Дальнейшие исследования, разработки и развитие в области вакуумных технологий, например, более детальное понимание поведения дуги плазмы и взаимодействия дуги с контактным материалом, привели к разработке безопасной системы, основанной на контактных системах «радиального магнитного поля» (RMF) для областей применения силовых генераторных выключателей.

В данном конкретном случае, самогенерируемое радиальное или осевое магнитное поле сокращает время воздействия столба дуги на контактную систему.

После анализа данных трансформаторов и генераторов многих электростанций параметры переходного восстанавливающегося напряжения (TRV) были распределены в ряд мощностных диапазонов, как показано в Таблице 1.

Таблица 1. Источники возникновения КЗ

Состояние

Устройство

Номинальная
мощность (MBA)

T2
(мкс)

E2
(кВ)

RRRV
(кВ/мкс)

Короткие замыкания от системы
(Рис.1, а)

Повышающий
трансформатор

<100

0,62 V

1,84 V

3,5

101-200

0,54 V

1,84 V

4,0

201-400

0,48 V

1,84 V

4,5

Короткие замыкания от генератора
(Рис.1, b)

Генератор

<100

1,35 V

1,84 V

1,6

101-400

1,20 V

1,84 V

1,8

Коммутация тока в режиме рассогласования фаз
(Рис.1, b)

Генератор

<100

0,89 V

2,6 V

3,3

101-400

0,72 V

2,6 V

4,1

 

V = номинальное максимальное напряжение в (кВ)

Вакуумные выключатели на базе оптимизированных контактных систем «радиального магнитного поля» (RMF) или «осевого магнитного поля» (AMF) предназначены для отключения высоких токов короткого замыкания начиная от 50 кА и выше с помощью компактного силового генераторного выключателя. Данные устройства обеспечивают выполнение всех необходимых требований, предъявляемых к генераторным цепям, а также позволяют одновременно обеспечить защиту генератора и всех подключаемых систем.

В отличие от применения в стандартных распределительных цепях, вакуумные выключатели в генераторных цепях должны выдерживать высокие токи короткого замыкания с высокими асимметричными компонентами при продолжительных временных константах.

Базовая принципиальная электрическая схема цепи генератора

Рис. 1. Базовая принципиальная электрическая схема цепи генератора, слева — генератор и силовой генераторный выключатель, справа — трансформатор, для подачи питания в высоковольтную сеть [1 ]

Это может вызывать продолжительное время дугообра-зования и сопровождаться резко изменяющими темпами роста восстанавливающегося напряжения (RRRV) и высоким пиковым значением переходного восстанавливающегося напряжения (TRV) после прерывания тока.

Уже разработан и серийно изготавливается трехфазный вакуумный автоматический выключатель на 100 кА с исполнительным механизмом быстрого пружинного привода с учетом всех требований к однофазным и трехфазным испытаниям в соответствии с ANSI/IEEE С37-013-1997 и IEC 62271-37.013 (ГОСТ 14693-90 и ГОСТ 1516.3-96).

В настоящей момент основной упор делается на свойствах самой конструкции вакуумных выключателей, а также на работе вакуумных выключателей в жестких условиях, особенно когда способность отключения короткого замыкания испытывается при 50 Гц.

Компактный силовой выключатель генератора, тип: ЗАН

Рис. 2. Изображение компактного силового выключателя генератора (24кВ-100кА-5000-12500А-50/60Гц), Тип: ЗАН

Силовые генераторные цепи, в отличие от распределительных сетей, имеют ряд отличий: подключение генератора к повышающему трансформатору выполняется сравнительно короткими шинами с высокой электропроводностью, имеющими большое поперечное сечение, чтобы свести к минимуму потери мощности. В результате их омическое сопротивление и емкость между фазой и землей намного ниже, чем в распределительных сетях с разветвленными кабельными системами. Таким образом, силовую цепь генератора следует считать преимущественно индуктивной, с присущими ей переходными процессами восстанавливающегося напряжения, обусловленными коммутацией индуктивных токов.

Еще одной отличительной характеристикой является то, что генераторы обладают ограниченной инерционностью вращения, т.к. в режиме короткого замыкания испытывают торможение. В этом случае среднеквадратичное значение переменной составляющей тока является не постоянной, а затухающей величиной. В результате накладывание быстрозатухающей переменной составляющей на затухающую постоянную формирует длительный период спада потенциала, в течение которого фактический ток короткого замыкания не проходит через нуль.

В силу этих особенностей, для генераторных цепей требуются специальные силовые генераторные выключатели, а сами цепи испытываются в соответствии с IEC 62271-37.013/ ANSI/IEEE (ГОСТ 14693-90 и ГОСТ 1516.3-96). Традиционно силовые генераторные выключатели представляли собой очень мощные устройства на базе технологии размыкания в вакууме или в среде элегаза.

На протяжении последних 35 лет, благодаря непрерывному развитию, в особенности конструкций контактных систем и контактных материалов, эффективность отключения токов короткого замыкания вакуумными выключателями заметно увеличилась. Эти совершенствования позволяют применить технологию вакуумного размыкания к силовым генераторным выключателям.

Выводы и обсуждение

В России вакуумные выключатели были приняты в эксплуатацию в восьмидесятые годы XX века. Плохое качество контактов оборудования некоторых российских производителей приводило к высокой вероятности повторного зажигания дуги. Коммутационные перенапряжения в них могли достичь 6-7 кратного фазного перенапряжения. Это вызвало недоверие среди российских заказчиков и привело к доминированию элегазовых выключателей.

В то же время на Западе производители добились значительных успехов в технологиях вакуумных выключателей. В настоящее время в производство внедрены выключатели по номинальному напряжению до 84 кВ и токов отключения до 100 кА. Существуют лабораторные образцы на напряжение 145 кВ

Основные достижения в области вакуумных выключателей связаны с использованием в контактной паре современных сплавов CuCr, CuTeSi, CuBi, AgW и AgWC. Кроме специальных материалов большую роль играет сама структура контактной системы. При токах до 40кА используется (RMF — радиального магнитного поля), для токов отключения до 100 кА (AMF — осевого магнитного поля).

Применение данных материалов и специальной структуры контактов по ряду параметров: отключающей способности и восстановлению диэлектрической прочности между контактами; устойчивости к эрозии; току среза при переходе через ноль и переходному сопротивлению контактов в течение срока службы на порядок превосходят другие контактные материалы.

Действие вакуумных выключателей основано на наиболее экономичном и надежном вакуумном принципе гашения дуги, который превосходит все имеющиеся на сегодняшний день.

Вакуумные камеры, разработанные для выключателей цепи генератора (GCB), могут соответствовать требованиям 50 и 60 Гц, исходя из представленных результатов

моделирования и нескольких испытаний отипования, которые выполняются на одном и том же вакуумном прерывателе при 50 или при 60 Гц и в соответствии с IEC 62271-37.013. Эффективность отключения короткого замыкания генераторных выключателей, а также высоковольтные испытания получили подтверждение в результате испытаний в лаборатории высокой мощности КЕМА (Голландия).

Основные преимущества вакуумных генераторных выключателей, заключающиеся в используемых материалах и технологии изготовления:

Постоянство диэлектрических свойств

  • Герметично закрытые вакуумные камеры нечувствительны к воздействиям окружающей среды.
  • Коммутационные процессы в вакууме не создают токсичных и агрессивных продуктов распада.

Постоянное сопротивление контакта

  • Контактирующие поверхности остаются чисто металлическими, так как в вакууме отсутствуют процессы окисления.
  • Контактное сопротивление остается неизменным в течение всего срока службы.
  • Рассеяние дуги снижает плотность выделяемой энергии и значительно уменьшает эрозию контактов.
  • Нет никакой разницы между основным и дугогасительным контактами (как это имеет место в выключателях с изолятором SF6).

Экономические преимущества и высокая надежность

  • Вакуумные выключатели не требуют технического обслуживания до 10 000 операций срабатывания при номинальном токе.
  • Вакуумные прерыватели не нуждаются в техобслуживании в течение всего периода эксплуатации «Герметичны на весь срок службы».
  • Меньше движущихся частей в дугогасительной камере.
  • Среднее время наработки на отказ (MTTF) вакуумных выключателей составляет 51,300 лет.
  • Среднее время безотказной работы (MTBF) выключателей серии ЗАН составляет 12,624 лет.

Цитируемая литература

[1] ANSI/IEEE С 37.013-1997, «IEEE Standard for AC High-Voltage Generator Circuit breakers Rated on a Symmetrical Current Basis», The Institute of Electrical and Electronics Engineers - Inc., 345 East 47th Street, NewYork, NY10017-2394, USA, 1997.
[2] D. Braun, G. Koppl, «Transient Recovery Voltages during the switching under Out-of-Phase conditions», Proceedings of the 5th International Conference on Power System Transients, New Orleans, Sept. 28 - Oct. 2, 2003, Paper No. 4b-3, 2003.
[3] M. B. Schulman, «Separation of spiral Contact and the Motion of Vacuum Arcs at High AC Currents», IEEE Transaction in Plasma Science, Vol.21, pp. 484-488, 1993.
[4] Slade, P,Smith, R.K., «Acomparisonofshortcircuitperformance using transverse magnetic field and axial magnetic field contacts in low frequency circuits with long arcing times», Proceedings of the 21th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (Yalta), IEEE, pp. 337-341, October 2004.
[5] H. Fink, D. Gentsch, M. Heimbach, G. Pilsinger, W. Shang, «New Developments of Vacuum Interrupters Based on RMF and AMF Technologies», 18th Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum on High Voltage Engineering (ISDEIV), Eindhoven, pp. 463-466, 1998.
[6] R. K. Smith, R. W. Long, D. L. Burmingham, «Vacuum Interrupters For Generator Circuit Breakersthey’re notjustfor Distribution Circuits Breakers Anymore», 17th Int. Conference, on Electricity Distribution (CIRED), Barcelona, pp. 1-7, 2003.
[7] B. Kulicke, H. H. Schramm, «Application of Vacuum Circuit Breaker to clear Faults With Delayed Current Zeros», IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 3, No. 4, pp.1714-1723, 1988.

Дмитрий КОРИСТАШЕВСКИЙ,
руководитель отдела развития
систем генераторных выключателей ООО «Сименс»

Сергей КОЛЫЧЕНКОВ,
специалист по работе с проектными
организациями ООО «Сименс»